Grade2XL, volgende stap in Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM)

Naast de mogelijkheid grote werkstukken met de WAAM technologie lokaal te kunnen produceren, is multi-material printing eveneens een belangrijk unique selling point. WAAM beperkt zich niet tot 1 materiaal maar kan werkstukken uit meerdere materiaalsoorten opbouwen. Dat biedt de mogelijkheid om voor een groot product alleen de schil uit een duurder corrosiebestendig of slijtvast materiaal op te bouwen en de kern uit een goedkoper materiaal. Om te onderzoeken wat je met al deze mogelijkheden op een groter niveau zou kunnen doen wordt WAAM nu samen met 20 partners (waaronder Valk Welding) uit heel Europa in het Grade2XL project verder doorontwikkeld. Met financiële ondersteuning van de EU zal WAAM in de komende 4 jaar als een economisch levensvatbaar en duurzaam alternatief voor de conventionele technologieën verder worden doorontwikkeld.

Voor het Grade2XL project staat bij Valk Welding nu de 3D printcontainer van Autodesk opgesteld. Met 2 lasrobots in één systeem zullen daar multi-material onderdelen met nieuwe toepassingen zoals koelkanalen worden geprint. Er zal ook een systeem voor cryogene koeling en thermisch beheer van Air Products worden toegepast. Dit zal het mogelijk maken de afdruksnelheid verder te verhogen, de wachttijden voor het afkoelen te verminderen, een veilige atmosfeer in de werkruimte te creëren en zo de productiviteit en de productkwaliteit aanzienlijk te verhogen, terwijl de ideale thermische omstandigheden behouden blijven.

This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 862017.

Een unieke samenwerking tussen RAMLAB en Valk Welding

RAMLAB, Europa's eerste Fieldlab, heeft bewezen dat het met WAAM technologie belangrijke onderdelen voor industriële toepassingen kan printen, zoals de gecertificeerde scheepsschroef van de sleepboot Damen. De eerste proeven die RAMLAB in opdracht van Vallourec heeft uitgevoerd, hebben geleid tot de opdracht aan Valk Welding voor de bouw van de 3D print-cel.

Vincent Wegener, Managing Director van RAMLAB: "Ons product MaxQ bestaat uit een suite van sensoren en een softwaremodule die we hebben ontwikkeld om maximale kwaliteit te garanderen en zo een gecertificeerd geprint onderdeel te verkrijgen. De geavanceerde bewakings- en regelsoftware bewaakt de procesparameters in real-time. Bovendien wordt de workflow van Autodesk PowerMill CAD-bestanden naar een programma voor de Panasonic lasrobot nu geregeld met één druk op de knop. Het MaxQ systeem is volledig geïntegreerd in de Valk Welding cel. Het is juist in deze samenwerking dat onze kracht ligt en dat ons uniek maakt in Europa".

Super Active Draad

Valk Welding heeft een cel gebouwd met 2 werkstations, waarvan één met een vaste Siegmund tafel en een tweede met een vijf-assige manipulator. Beide werkstations zijn uitgerust voor werkstukken tot 2 meter hoog, 800 mm diameter en een gewicht tot 500 kg.
Bovendien was de uitdaging voor Valk Welding om de lassnelheid te kunnen verhogen zonder het risico te lopen het materiaal te beschadigen. Hiervoor werd een Panasonic lastoorts met een geïntegreerde servomotor gebruikt, die ook het Super Active Wire proces ondersteunt.
Bij het SAW-proces beweegt de lasdraad met hoge frequentie heen en weer, waardoor meer materiaal per uur kan worden gesmolten met een beperkte warmte-inbreng.

Bewijs van concept

“Het voordeel van de WAAM technologie is dat alleen een standaarddraad als basismateriaal nodig is, dit in tegenstelling tot het bewerkingsproces waarvoor specifiek gereedschap nodig is. Ongeacht de technologie, of het nu gaat om 3D printen of traditionele machinale bewerking, verwachten onze klanten in de olie- en gasindustrie een gecertificeerd product dat aan de hoogste kwaliteitsnormen voldoet. Onze uitdaging is hen ervan te overtuigen dat wij hun onderdelen kunnen leveren die aan deze verwachtingen voldoen. Hiervoor rekenen wij op onze pionierende klanten die deel willen uitmaken van deze innovatie.”, besluit Jonathan Moulin.

Figuur 1. Opschalingsproces van enkele parels tot 3D-geprint blok
Figuur 2. Resultaten van trekproeven op WAAM Ti6Al4V pre-build vergeleken met 3Dprint AM Ti-5 draadgrondstof in de x-y-z richtingen

De WAAM procesparameter optimalisatie die wordt uitgevoerd voordat een onderdeel wordt geproduceerd, maakt het mogelijk materiaaleigenschappen op maat te maken. In combinatie met Panasonic's Super Active Wire Process (SAWP), werd een stabiele boog en een minimum aan spatten bereikt. Een lasomkasting en extra beschermend argon (Ar) zorgden voor een inerte omgeving met een laag niveau van verontreinigingen.

Na de optimalisatie van de procesparameters werd het printen fysiek opgeschaald door het printen van mock-ups voor strategie-onderzoek (figuur 1). De experimentele fase werd afgesloten met de fabricage van een massief blok (of 'pre-build') voor trekproeven in de x-y-z richtingen. Voorafgaand aan de mechanische testen onderging de pre-build een oplossingsbehandeling en veroudering.

Figuur 2 toont de resultaten van de mechanische beproeving van de pre-build. Een typisch anisotroop gedrag is zichtbaar in de rekresultaten. Dit kan worden veroorzaakt door de preferentiële korrelgroei die door de warmtebron wordt geïnduceerd. Het algemene resultaat toont aan dat het WAAM-materiaal vergelijkbare mechanische eigenschappen heeft als de 3Dprint AM Ti-5 draadgrondstof.
Na de mechanische testen werd het bijna-netto-vorm CAD-model gegenereerd door het oorspronkelijke onderdeel opnieuw te ontwerpen. Tijdens deze bewerking werd extra materiaal toegevoegd om het uiteindelijke netvormige ontwerp te kunnen bewerken.

Figuur 3 toont het resulterende onderdeel. Interessant om op te merken is de afwezigheid van verkleuring op het gehele onderdeel, een teken van een contaminatievrije omgeving. Tijdens het printen werden de procesparameters gelogd met behulp van ons MaxQ monitoring- en controlesysteem (afbeelding 4) voor verdere gegevensanalyse. Het onderdeel werd ten slotte opgestuurd voor de uiteindelijke afwerking tot het netvormig ontwerp. Vergeleken met het verkrijgen van het onderdeel uit een gesmeed blok, bespaarde RAMLAB 50% materiaal en met verdere verbeteringen is het mogelijk om een reductie van 70% te bereiken.

Met dit project heeft RAMLAB het potentieel aangetoond van het GMAW-WAAM-systeem voor het printen van Ti6Al4V-metaalonderdelen. We werken samen met verschillende instellingen om dit onderwerp verder te onderzoeken. We hebben een kleine maar belangrijke doorbraak gerealiseerd in het GMAW-WAAM van Ti6Al4V-onderdelen, waardoor onze klanten een stap dichter zijn gekomen bij het drukken van Ti6Al4V-onderdelen.

Speciale dank aan onze partners: Hittech, AirProducts, Valk Welding, Autodesk, Cavitar, Element, TWI, Voestalpine Böhler Welding en het AMable initiatief.

Als u geïnteresseerd bent om meer te leren over Wire Arc Additive Manufacturing van titanium onderdelen, neem dan contact met ons op.

www.ramlab.com

Figuur 3. Na het frezen van de hal van het onderdeel