Hybrydowe metody obróbki materiałów konstrukcyjnych - ebook

OD AUTORÓW

Obróbka ubytkowa, która obejmuje liczną grupę konwencjonalnych i niekonwencjonalnych procesów obróbki, jest podstawową techniką wytwarzania w budowie maszyn i według prognoz jej udział w przyszłości będzie nadal znaczący, a jeśli uwzględni się dynamiczny rozwój obróbki hybrydowej, mikro- i nanoobróbki, to nawet się zwiększy. Od kilku dekad obserwuje się dynamiczny rozwój technologii i technik wytwarzania oparty na nowoczesnych badaniach doświadczalnych, zaawansowanych technikach modelowania i symulacji oraz cyfryzacji procesów wytwórczych. Hybrydyzacja procesów wytwórczych jest obecnie postrzegana jako ważny, a nawet nieodzowny elementem rozwoju strategii Produkcja 4.0. Wiąże się to także z wdrażaniem strategii zrównoważonego wytwarzania, doskonalenia jakości i funkcjonalności wyrobów. Uporządkowane pod względem terminologicznym podejście do hybrydowych procesów wytwórczych, datowane na 2014 r., było dziełem Międzynarodowej Akademii Inżynierii Produkcji (CIRP). Autorzy książki nie tylko obserwowali rozwój prac badawczych nad hybrydowymi procesami obróbki, ale prowadzili własne badania i brali udział w pracach wielu opiniotwórczych gremiów naukowych. Prof. Adam Ruszaj od ponad 40 lat prowadził badania w Instytucie Obróbki Skrawaniem w Krakowie, a później w Politechnice Krakowskiej i PWSZ w Nowym Sączu nad hybrydyzacją obróbki EDM i ECM. Z kolei prof. Wit Grzesik prowadził w Politechnice Opolskiej badania na hybrydyzacją obróbki twardych materiałów z udziałem nagniatania i funkcjonalnością powierzchni.

Głównie ze względów ekonomicznych i z powodu niewielkiego zainteresowania przemysłu udział ośrodków badawczych z Polski jest obecnie w światowym programie rozwoju hybrydowych procesów skrawania i procesów niekonwencjonalnych niewielki. Misją autorów, którzy podjęli się opracowania pierwszej w języku polskim książki dotyczącej tej tematyki, zatytułowanej _Hybrydowe procesy obróbki ubytkowej_, jest przekazanie wiedzy teoretycznej i praktycznej zarówno studentom wydziałów mechanicznych politechnik, jak i, a może przede wszystkim, inżynierom-technologom z przemysłu.

Fragmentarycznie, hybrydowe procesy skrawania zostały opisane w książce _Podstawy skrawania materiałów konstrukcyjnych_, PWN, Warszawa, 2018 r. W nowej książce Czytelnik znajdzie wyczerpujące informacje o zasadach tworzenia hybrydowych procesów obróbki ubytkowej, uporządkowane według klasyfikacji CIRP-u. Nowością jest zwarte opracowanie dotyczące bardzo dynamicznie rozwijanej koncepcji łączenia obróbki przyrostowej i ubytkowej na specjalnych hybrydowych platformach wytwórczych (rozdz. 10). W obecnym wydaniu książka zawiera 12 rozdziałów, z których cztery (rozdz. 4, 5, 6 i 7 ) dotyczą hybrydowych procesów skrawania i obróbki ściernej, a rozdziały 8 i 9 zawierają omówienie hybrydowych procesów obróbki EDM i ECM. Dwa rozdziały są poświęcone zagadnieniom ekonomiczności (rozdz. 11) i nowych możliwości tworzenia funkcjonalnej warstwy wierzchniej (rozdz. 12).

Aktualność zamieszczonych informacji gwarantują liczne cytowania z książek, czasopism naukowych i technicznych, a w szczególności z prestiżowego czasopisma _CIRP Annals – Manufacturing Technology_. Układ treści umożliwi Czytelnikowi odróżnienie i ocenę stosowania różnych sposobów hybrydowej obróbki ubytkowej w skali makro, mikro i nano. Autorzy uważają, że taki układ treści będzie także lepiej dostosowany do programów wykładów na kierunkach _Mechanika i Budowa Maszyn_ oraz _Inżynieria Produkcji_ dla studiów II i III stopnia i bardziej przydatny dla inżynierów z przemysłu wytwórczego.

Dziękujemy naszym Rodzinom za cierpliwość i wsparcie w czasie prac nad książką, co w trudnym czasie pandemii jest szczególnie cenne. Mamy nadzieję, że funkcjonująca w nauce zasada ciągłego udoskonalania wiedzy empirycznej zainspiruje Szanownych Czytelników do podzielenia się z nami swoimi krytycznymi uwagami i spostrzeżeniami, które być może zostaną wykorzystane w przyszłości.

Naszą pracę i włożony w nią trud intelektualny chcielibyśmy, tak jak w poprzednich naszych książkach, poświęcić wszystkim Profesorom, m.in. Prof. J. Kaczmarkowi, J. Dmochowskiemu, M. Kawalcowi, K. Oczosiowi, H. Żebrowskiemu, J. Harasymowiczowi, K. Albińskiemu, którzy tworzyli i rozwijali polską szkołę obróbki ubytkowej. Ich wiedzy i pasji naukowej zawdzięczamy nasze osiągnięcia naukowe i publikacyjne.

(Autorzy)

Opole, Kraków, październik 2020 r.WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ I SKRÓTÓW

WAŻNIEJSZE OZNACZENIA

_a__p_ – głębokość skrawania (dosuw)

_A_ – amplituda drgań, absorpcyjność obrabianego materiału, stała w równaniu J-C

_B_ – szerokość warstwy skrawanej (nominalna), indukcja magnetyczna

_c_ – ciepło właściwe

_C_ – ciepło właściwe objętościowe

_C__H_ – koncentracja objętościowa wodoru

_d_ – średnica drutu w obróbce WEDM

_e__c_ – energia właściwa skrawania

_E_ – energia skrawania (całkowita), moduł Younga, suma spadków potencjału w warstwach przyelektrodowych

_E_chem – energia chemiczna

_E_mech – energia mechaniczna

_E_term – energia termiczna

_f__z_ – posuw na ostrze

_F__c_ – siła skrawania

_F__f_ – siła posuwowa

_F__p_ – siła odporowa

_h_ – grubość warstwy skrawanej, współczynnik naturalnej konwekcji ciepła

_h__ch_ __ (_h__w_) – grubość wióra

_h__gr_ – graniczna grubość warstwy skrawanej

_h__ig_ – ciepło sublimacji

_h__min_ – minimalna grubość warstwy skrawanej

_I__p_ – amplituda natężenia prądu

_k_ – przewodność cieplna obrabianego materiału

_k__c_ – opór właściwy skrawania powierzchniowy

_k__h_ – współczynnik zgrubienia wióra

_k__v_ – objętościowy równoważnik elektrochemiczny materiału przedmiotu obrabianego

_K__j_ – całkowity koszt jednostkowy

_K__jmin_ – minimalny koszt jednostkowy

_K__jn_ – koszt jednostkowy narzędzia

_K__m_ – koszt maszynowy

_K__np_ – koszty nieprodukcyjne (stałe)

_K__wn_ – koszt wymiany narzędzia

_m_ – masa

– masowe natężenie przepływu w obróbce AWJM

_n_ – prędkość obrotowa wrzeciona

_p_ – ciśnienie cieczy

_p__c_ – moc skrawania właściwa

_p__n_ – ciśnienie pary nasyconej elektrolitu w danych warunkach przepływu

_P__c_ – moc skrawania

_P__sh_ – płaszczyzna poślizgu

_q__w_, _q__n_, _q__m_ – strumienie cieplne wnikające w wiór, narzędzie i materiał obrabiany (w skrawaniu)

_q__t_, _q__s_, _q__p_, _q__w_, _q__ccs_ – całkowity strumień ciepła i część strumienia ciepła przepływającego do ściernicy, przedmiotu, wiórów i do cieczy chłodzącej (szlifowanie)

_Q_ – ciepło skrawania, strumień ciepła

_Q__a_ – ciepło unoszone do atmosfery otoczenia

_Q__o_, _Q__t_, _Q__ww_ – ciepło odkształceń plastycznych, tarcia i odkształceń poniżej linii skrawania

_Q__v_ – objętościowa wydajność skrawania

_Q__w_, _Q__n_, _Q__m_ – ciepło przejmowane przez wiór, narzędzie, materiał obrabiany

_r__n_ (_r__β_) – promień zaokrąglenia krawędzi skrawającej

_r__ε_ – promień naroża

Ra – średnie arytmetyczne odchylenie profilu chropowatości

_R__o_ – promień skoncentrowanej wiązki lasera

Rmax – maksymalna wysokość nierówności

Rmr(c) – udział materiałowy profilu

Rsm – średnia szerokość rowków elementów profilu

Rt – całkowita wysokość profilu

Rz – największa wysokość profilu

_S_ – odporność elektroerozyjna

_S_₀ – grubość szczeliny w obróbce ECM

_t_ – czas

_t__i_ – czas impulsu

_t__j_ – czas jednostkowy

_t__jmin_ – minimalny koszt jednostkowy

_t__m_, _t__n_ – czas maszynowy, niemaszynowy

_T_ – temperatura

_T__c_ – temperatura ostrza

_T__t_ (_T__melt_) – temperatura topnienia

_u_ – prędkość skanowania wiązki lasera

_v__c_ – prędkość skrawania

_v__f_ – prędkość dosuwu elektrody roboczej w obróbce ECM

_v__w_ – prędkość wody

_VB__B_ – średnia szerokość pasma zużycia powierzchni przyłożenia

_V__w_ – wydajność objętościowa obróbki

_W__p_ – wydajność produkcji

α – liniowy współczynnik rozszerzalności, kąt zarysu, współczynnik dyfuzyjności

α_o_ – kąt przyłożenia ortogonalny

β_o_ – kąt ostrza ortogonalny (główny)

γ – odkształcenie postaciowe

γ_ef_ – efektywny, rzeczywisty kąt natarcia

γ_o_ – kąt natarcia ortogonalny

ε – odkształcenie liniowe

λ – współczynnik przewodności cieplnej

ν – liczba Poissona

ρ – gęstość materiału, promień zaokrąglenia ziarna ściernego

ρ_w_ – gęstość wody

σ – naprężenie własne

σ_eq_ _–_ naprężenie zastępcze w modelu J-C

Φ – kąt poślizgu

SKRÓTY

1D jednowymiarowy (układ liniowy)

2D dwuwymiarowy (układ)

3D trójwymiarowy (układ), drukowanie (kształtowanie przyrostowe)

AAEM (_abrasive-assisted electrochemical machining_) obróbka elektrochemiczna wspomagana ściernie

AECM (_abrasive electrochemical machining_) obróbka elektrochemiczna wspomagana ściernie

AECS (_abrasive electrochemical smoothing_) wygładzanie elektrochemiczno-ścierne

ADL (_aerosol dry lubrication_) __ połączenie minimalnego smarowania (MQL) z dodatkowym chłodzeniem LCO₂

AEDM (_abrasive electrodischarge machining_) obróbka elektroerozyjna wspomagana ściernie

AFM (_abrasive flow machining_) obróbka przetłoczno-ścierna

AI (_artificial intelligence_) sztuczna inteligencja

AJM (_abrasive jet machining_) obróbka strumieniem ścierniwa, obróbka aerościerna

AM (_additive manufacturing_) obróbka przyrostowa (addytywna)

ANNs (_artificial neural networks_) sztuczne sieci neuronowe

ASJM (_abrasive slurry jet machining_) obróbka strumieniowo-ścierna

AWEDM (_abrasive wire electrodischarge machining_) wycinanie ścierno-erozyjne

AWJM (_abrasive water jet machining_) obróbka strumieniem wodno-ściernym

CAD (_computer aided design_) wspomagane komputerowo projektowanie

CAM (_computer aided manufacturing_) wspomagane komputerowo wytwarzanie

CBN regularny azotek boru (RBN)

CCS ciecz chłodząco-smarująca

CDR (_cryogenic deep rolling_) kriogeniczne nagniatanie umacniające

CHAZ (_chemical-affected zone_) strefa wpływów chemicznych

CHM (_chemical machining_) obróbka chemiczna

CIRP (franc_. College International pour la Recherche en Productique_) Międzynarodowa Akademia Inżynierii Produkcji

CNC (_computer numerical control_) sterowanie numeryczne komputerowe

CT (_conventional turning_) toczenie konwencjonalne

D (_drilling_) wiercenie

DC (_direct current_) prąd stały

DED (_direct energy deposition_) nakładanie materiału z bezpośrednim oddziaływaniem energią

DMD (_direct metal deposition_) bezpośrednie nanoszenie metalu

DMLS (_direct metal laser sintering_) laserowe spiekanie proszków metalowych

DMP (_direct metal printing_) bezpośredni druk stopionym metalem

EBM (_electron beam machining_, _electron beam melting_) stapianie materiału wiązką elektronów

ECAG (_electrochemical abrasive grinding_) szlifowanie ścierno-elektrochemiczne

ECD (_electrochemical deburring_) gratowanie elektrochemiczne

ECDM (_electro-chemical-discharge machining_) obróbka elektrochemiczno-elektroerozyjna

ECG (_electrochemical grinding_) szlifowanie elektrochemiczne

ECJM (_electrochemical jet machining_) strumieniowa obróbka elektrochemiczna

ECM (_electrochemical machining_) obróbka elektrochemiczna

ECSM (_electrochemical spark machining_) elektrochemiczna obróbka elektroiskrowa

EDAG (_electrodischarge abrasive grinding_) szlifowanie ścierno-erozyjne

EDM (_electrodischarge machining_) obróbka elektroerozyjna

EM (_emulssion_) emulsja olejowa

ESJM (_electrochemical slurry jet machining_) elektrochemicznie wspomagana obróbka strumieniowo-ścierna

FAM (_fluid assisted machining_) obróbka wspomagana mediami ciekłymi

FDM (_fused deposition modelling_) metoda nakładania przez wyciskanie uplastycznionego materiału

FIBM (_fine ion beam machining_) obróbka skoncentrowanym strumieniem jonów

FL (_fuzzy logic_) logika rozmyta

G (_grinding_) szlifowanie

GH (_grind hardening_) utwardzanie przez szlifowanie

HAZ (_heat-affected zone_) strefa wpływu cieplnego

HB twardość w skali Brinella

HM twardość w skali Martensa

HM (_hard machining_) obróbka na twardo

HP hybrydowy proces produkcji

HPC (_high pressure cooling_) obróbka ze wspomaganiem cieczą pod ciśnieniem (obróbka wysokowydajna)

HPJAM (_high pressure jet assistant machining_) skrawanie wspomagane wysokociśnieniowym strumieniem cieczy obróbkowej

HPWJAM (_high pressure water JAM_) skrawanie wspomagane wysokociśnieniowym strumieniem wody

HRC twardość wg Rockwella w skali C

HSC (_high speed cutting_) skrawanie z dużą prędkością

HSM (_high speed machining_) obróbka z dużą prędkością

IAM (_induction assisted machining_) obróbka z nagrzewaniem indukcyjnym

IBM (_ion beam machining_) obróbka jonowa

IEG (_inter-electrode gap_) szczelina międzyelektrodowa

IJM (_ice jet machining_) obróbka strumieniem cząstek lodu

IR (_infrared radiation_) promieniowanie podczerwone

LAECM (_laser assisted ECM_) laserowo wspomagana obróbka elektrochemiczna

LAEDM (_laser assisted EDM_) laserowo wspomagana obróbka elektroerozyjna

LAG (_laser assisted grinding_) laserowo wspomagane szlifowanie

LAJECM (_laser assisted jet electrochemical machining_) laserowo wspomagana obróbka strumieniowo-elektrochemiczna

LAM (_laser assisted machining_) obróbka wspomagana laserem, (_laser additive manufacturing_) laserowe wytwarzanie przyrostowe

LAMG (_laser assisted micro-grinding_) laserowo wspomagane mikroszlifowanie

LAMILL (_laser assisted milling_) laserowo wspomagane frezowanie

LAT (_laser assisted turning_) laserowo wspomagane toczenie

LBDW (_laser beam deposition welding_) napawanie materiału laserem

LBM (_laser beam machining_) obróbka laserowa

LCA (_life cycle assessment_) ocena długości życia wyrobu

LCO₂ zmrożony dwutlenek węgla

LDT (_laser deposition technology_) technologia laserowego nakładania materiału

LMD (_laser metal deposition_) laserowe nanoszenie metalu

LN₂ kriogeniczny azot

LRT (_laser repair technology_) laserowa technologia napraw

LS (_laser scanning_)skanowanie laserowe

MAM (_media assisted machining_) obróbka wspomagana mediami ciekłymi i gazowymi

MDM (_multi-nozzle deposition manufacturing_) laserowe osadzanie materiału w wyniku napawania

MECM (_mechano-eletrochemical machining_) obróbka mechano-elektrochemiczna

MEMS (_micro-electro-mechanical system_) mikrosystem elektromechaniczny

MES(FEM) (_finite element method_) metoda elementów skończonych

MF (_magnetic field_) pole magnetyczne

MFAECM (_magnetic field assisted ECM_) obróbka elektrochemiczna wspomagana polem magnetycznym

MFAEDM (_magnetic field assisted EDM_) obróbka elektroerozyjna wspomagana polem magnetycznym

M(MILL) (_milling_) frezowanie

MMCs (_metal matrix composites_) kompozyty na osnowie metalowej

MPECM (_mixed powder electrochemical machining_) obróbka ECM wspomagana strumieniem elektrolitu i ziaren ściernych

MQC (_minimum quantity cooling_) obróbka ze zminimalizowanym chłodzeniem

MQCL (_minimum quantity cooling lubrication_) obróbka ze zminimalizowanym chłodzeniem i smarowaniem

MQL (_minimum quantity lubrication_) obróbka ze zminimalizowanym smarowaniem

MRR (_material removal rate_) wydajność obróbki (szybkość usuwania naddatku)

MRS metoda różnic skończonych

NEMS (_nano-electro-mechanical system_) nanosystem elektromechaniczny

NW naprężenia własne

OUPN układ obrabiarka-uchwyt-przedmiot-narzędzie

PAM (_plasma arc machining_, _plasma assisted machining_) obróbka wspomagana (łukiem plazmowym) plazmą

PBF (_powder bed fusion_) technika złoża proszku metalu

PBM (_plasma beam machining_) obróbka plazmowa

PCBN polikrystaliczny azotek boru

PCD polikrystaliczny diament

PCM (_photochemical machining_) obróbka fotochemiczna

PECM (_pulsed ECM_) pulsacyjna obróbka ECM

PFB (_powder bed fusion_) wytwarzanie proszkowe na platformie/złożu

PLP (_pulsed laser plasma_) laser pulsacyjny

PMEDM (_powder-mixed electrical discharge machining_) obróbka EDM wspomagana mieszaniną dielektryka z proszkiem

PMMA polymetakrylan metylu

POM (_precision optical manufacturing_) precyzyjna produkcja optyczna

RAG (_rotating abrasive grinding_) szlifowanie obrotowe narzędziem z nasypem z PCD

RP (_rapid prototyping_) szybkie prototypowanie

RUAG (_rotary ultrasonic assisted grinding_) szlifowanie obrotowe wspomagane US

RUM (_rotary ultrasonic machining_) rotacyjna obróbka ultradźwiękowa

SACE (_spark-assisted chemical engrawing_) grawerowanie chemiczne wspomagane elektroiskrowo

SAZ (_stress-affected zone_) strefa zalegania naprężeń własnych

SEDCM (_simultaneous micro-EDM and micro-ECM milling_) równoczesna obróbka mikro-EDM i mikro-ECM

SEM (_scanning electron microscopy_) mikroskopia skaningowa

SGP struktura geometryczna powierzchni

SLA (_stereolithography_) metoda stereolitografii

SLM (_selective laser melting_) selektywne stapianie laserem

SLS (_selective laser sintering_) selektywne spiekanie laserowe

SM __ (_subtractive machining_ ) obróbka ubytkowa (subtraktywana)

SP (_sustainable production_) zrównoważone wytwarzanie

SPHB (_split Hopkinson’s pressure bar_) urządzenie stosujące technikę pręta Hopkinsona

T (_turning_) toczenie

TAM (_thermally assisted machining_) obróbka wspomagana termicznie

TWS (_tool-workpiece separation_) oddzielenie ostrza od przedmiotu w obróbce UAMILL

TWW technologiczna warstwa wierzchnia

UAD wiercenie wspomagane drganiami ultradźwiękowymi (USAD)

UAM obróbka ze wspomaganiem drgań ultradźwiękowych (USAM)

UAMILL (_ultrasonic assisted milling_) frezowanie wspomagane drganiami ultradźwiękowymi

UAT toczenie wspomagane drganiami ultradźwiękowymi (USAT)

US (_ultrasonic_) drgania ultradźwiękowe

USAD (_ultrasonic assisted drilling_) wiercenie wspomagane drganiami ultradźwiękowymi

USAG (_ultrasonic assisted grinding_) szlifowanie wspomagane drganiami ultradźwiekowymi

USAM (_ultrasonic assisted machining_) obróbka wspomagana drganiami ultradźwiękowymi

USAT (_ultrasonic assisted turning_) toczenie wspomagane drganiami ultradźwiękowymi

USECM (_ultrasonic ECM_) obróbka ECM wspomagana drganiami ultradźwiękowymi

USEDM (_ultrasonic EDM_) obróbka EDM wspomagana drganiami ultradźwiękowymi

USG (_ultrasonic_ _grinding_) szlifowanie wspomagane drganiami ultradźwiękowymi

USM (_ultrasonic machining_) obróbka ultradźwiękowa

UV (_ultraviolet_) promieniowanie ultrafioletowe (nadfioletowe)

VAM (_vibration assisted machining_) obróbka ze wspomaganiem drgań

VAMILL (_vibration assisted milling_) frezowanie ze wspomaganiem drgań

WECDM (_wire electrochemical discharge machining_) wycinanie elektroerozyjne

WJM (_water jet machining_) obróbka strumieniem wody

WSACE (_wire spark assisted chemical engraving_) wycinanie chemiczne wspomagane elektroiskrowo

WW warstwa wierzchniaROZDZIAŁ 1.
OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA PROCESÓW KSZTAŁTOWANIA MATERIAŁÓW

1.1.
Klasyfikacja procesów obróbki ubytkowej

_Obróbka ubytkowa_ jest jedną z pięciu podstawowych grup ogółu technologii wytwórczych przedstawionych na rys 1.1. Obejmują one procesy łączenia, rozdzielania oraz kształtowania _ubytkowego_ (subtraktywnego), _bezubytkowego_ (przetwórczego, transformatywnego) i _przyrostowego_ (addytywnego) . Podział ten zaproponowano w związku z widocznym w ostatnich latach intensywnym rozwojem hybrydowych procesów wytwórczych. W literaturze poświęconej obróbce ubytkowej stosowany jest zwykle podział na obróbkę skrawaniem (konwencjonalną) i erozyjną (niekonwencjonalną). Jak wynika z rys. 1.1, ale również z rzeczywistego stanu przemysłu wytwórczego, istotnego znaczenia nabierają procesy kształtowania przyrostowego, które ograniczają, a w wielu przypadkach eliminują, konwencjonalne procesy ubytkowe i bezubytkowe.

Podstawowe techniki wytwarzania stosowane obecnie do kształtowania elementów maszyn i urządzeń technicznych to kształtowanie _bezubytkowe_, do którego zalicza się odlewanie i obróbkę plastyczną, oraz obróbka _ubytkowa._ Podział obróbki ubytkowej przedstawiono na rys. 1.2, a obejmuje ona procesy sklasyfikowane w tab. 1.1. Redukcja masy półfabrykatu może zasadniczo następować z wykorzystaniem energii mechanicznej, termicznej i chemicznej, chociaż coraz częściej łączy się oddziaływanie dwóch lub więcej rodzajów energii, jak w przypadku obróbki _hybrydowej_.

Należy podkreślić, że _hybrydyzacja_ procesów wytwórczych, w tym procesu obróbki ubytkowej, odgrywa obecnie dużą rolę w osiąganiu wysokiego poziomu innowacyjności wytwarzania przez zamierzony rozwój stosowanych procesów wytwarzania, gdyż stwarza duże, dodatkowe, możliwości w ich usprawnianiu i optymalizacji.

W tabeli 1.1 zestawiono procesy obróbki ubytkowej stosowane na skalę przemysłową, które mogą podlegać dalszej hybrydyzacji według różnych koncepcji (patrz tab. 1.2 w podrozdz. 1.2). Procesy te – konwencjonalne i niekonwencjonalne, wykorzystujące różne źródła energii (mechaniczną, termiczną, chemiczną i elektrochemiczną), można integrować w bardziej wydajne i efektywne procesy hybrydowe wykorzystujące dwa (lub więcej) źródła energii lub różne mechanizmy usuwania materiału naddatku obróbkowego.

TABELA 1.1. Klasyfikacja zaawansowanych procesów obróbki ubytkowej ze względu na wykorzystaną do usuwania materiału energię z podaniem źródła energii, narzędzia, medium transferu energii i wytworzony mechanizm usuwania materiału

Rodzaj energii

Rodzaj procesu

Źródło energii

Narzędzie

Medium przenoszące

Mechanizm usuwania materiału

MECHANICZNA

USM

drgania ultradźwiękowe

sonotroda

zawiesina ścierna

erozja i/lub ścieranie

AJM

ciśnienie pneumatyczne

strumień ścierny

powietrze

WJM

ciśnienie hydrauliczne

struga wody

powietrze

AWJM

ciśnienie hydrauliczne

struga
wodno-ścierna

powietrze

IJM

ciśnienie hydrauliczne

strumień cząstek lodu

powietrze

AFM

ciśnienie hydrauliczne

zawiesina ścierna

zawiesina

CHEMICZNA

CHM

składnik korozyjny

maska

odczynnik trawiący

roztwarzanie chemiczne

ELEKTRO- CHEMICZNA

ECM

prąd o dużym natężeniu

elektroda

elektrolit

roztwarzanie anodowe przez ruch jonów

TERMICZNA

EDM

prąd o dużym natężeniu

elektroda

dielektryk

topienie i odparowanie

EBM

zjonizowany materiał

strumień elektronów

próżnia

IBM

zjonizowany materiał

strumień jonów

atmosfera

LBM

wzmocniony strumień świetlny

wiązka laserowa

powietrze/ atmosfera o specjalnym składzie

PBM

zjonizowany materiał

strumień plazmy

plazma

Legenda: AFM – (_abrasive flow machining_) obróbka przetłoczno-ścierna, AJM – (_abrasive jet machining_) obróbka aerościerna, AWJM – (_abrasive water jet machining_) obróbka strumieniem wodno-ściernym, CHM – (_chemical machining_) obróbka chemiczna, EBM – (_electron beam machining_) stapianie materiału wiązką elektronów, ECM – (_elektrochemical machining_) obróbka elektrochemiczna, EDM – (_electrodischarge machining_) obróbka elektroerozyjna, IBM – (_ion beam machining_) obróbka jonowa, IJM – (_ice jet machining_) obróbka strumieniem cząstek lodu, LBM – (_laser beam machining_) obróbka laserowa, PBM – (_plasma beam machining_) obróbka plazmowa, USM – (_ultrasonic machining_) obróbka ultradźwiękowa, WJM – (_water jet machining_) obróbka strumieniem wody.

RYS. 1.1. Podział procesów wytwórczych na grupy

RYS. 1.2. Podział procesów obróbki ubytkowej/subtraktywnej

1.2.
Klasyfikacja procesów obróbki przyrostowej

Techniki przyrostowe, zwane popularnie drukiem 3D (_3D printing_), dzieli się zwykle ze względu na postać użytego materiału (budulca) oraz sposób jego łączenia i podawania . W przypadku kryterium materiałowego (rys. 1.1) ważne jest, czy materiał został użyty jako lity lub w formie proszku, jak również jako ciecz, czyli w formie płynnej bądź półpłynnej. Jak można zauważyć na rys. 1.3, w zależności od postaci materiału wyjściowego stosuje się różne techniki łączenia, w tym spiekanie, topienie i klejenie. Klasyfikację opartą na trzech metodach nakładania warstw materiału, tj. przez sklejanie warstw, formowanie na platformie i nanoszenie, przedstawiono na rys. 1.4.

RYS. 1.3. Podział metod wytwarzania przyrostowego ze względu na postać zastosowanego materiału i sposób łączenia

RYS. 1.4. Podział metod wytwarzania przyrostowego ze względu na sposób nakładania materiału

W przypadku uwzględnienia sposobu podawania materiału jako podstawowego kryterium (rys. 1.5) można wyróżnić kształtowanie z użyciem platformy wypełnionej proszkiem, zwaną wg klasyfikacji ASTM International techniką złoża proszku metalu (PBF – _powder bed fusion_), oraz bezpośrednie nanoszenie punktowe (_direct deposition_), które stosuje się w procesach spiekania, topienia i napawania. Należy dodać, że American Society for Testing and Materials (ASTM) group „ASTM F42 – Additive Manufacturing” klasyfikuje procesy addytywne w 7 grupach (Standard Terminology for Additive Manufacturing Technologies, 2012). Ich akronimy i praktyczne nazwy zestawiono w tab. 1.2.

RYS. 1.5. Klasyfikacja metod przyrostowych wytwarzania elementów metalowych opartych na sposobie: A – podawania materiału, B – łączenia, C – stosowane akronimy

TABELA 1.2. Klasyfikacja metod AM wg ASTM i ich komercyjne odmiany

+--+
| |
+--+
| |
+--+
| |
+--+
| |
+--+
| |
+--+
| |
+--+
| |
+--+
| |
+--+

Zaletą użycia równomiernie rozłożonego proszku na platformie roboczej jest brak konieczności wcześniejszego wytworzenia wsporników. W technologii złoża proszku metalu wykorzystuje się iterbowy laser światłowodowy o dużej mocy do stapiania drobnoziarnistych proszków metali w celu formowania użytecznych, trójwymiarowych części. Często nazywana jest metodą topienia warstwowego, technologią wytwarzania przyrostowego przy użyciu metalu, drukowania 3D przy użyciu metalu, stapiania laserowego lub wytwarzania przyrostowego przy użyciu metalu. Proces produkcji wykorzystuje przekroje 2D modelu 3D CAD. Każdemu przekrojowi modelu CAD odpowiada cienka warstwa drobnego proszku metalu osadzona na powierzchni roboczej; następnie wybrane obszary proszku są precyzyjnie stapiane laserem. Ten proces powtarza się aż do zakończenia wytwarzania przedmiotu, warstwa po warstwie. W systemach wytwarzania przyrostowego można stosować wiele materiałów metalowych, na przykład stop tytanu Ti6Al4V, stopy kobaltu, chromu, stal nierdzewną, stopy niklu Inconel 625, Inconel 718 oraz stop aluminium AlSi10Mg.

Zgodnie z przyjętymi kryteriami klasyfikacji można wyróżnić następujące metody wytwarzania przyrostowego o szerszym znaczeniu praktycznym:

- SLS (_selective laser sintering_), czyli selektywne spiekanie laserowe proszków różnych materiałów metalowych; cząsteczki proszku są łączone wskutek ich nadtapiania, co skutkuje zwiększeniem porowatości wytworzonych elementów,
- SLM (_selective laser melting_), czyli selektywne stapianie laserem proszków metali; występuje pełne przetopienie materiału, co eliminuje występowanie porów,
- DMP (_direct metal printing_), czyli bezpośredni druk stopionym metalem; jest znakiem firmy 3D Systems,
- DLMS (_direct metal laser sintering_), czyli bezpośrednie spiekanie proszków metali laserem; metoda jest podobna do metody SLS, ale stosuje się ją do wytwarzania części z mieszaniny różnych proszków,
- BJ (_binder jetting_), czyli strumieniowe natryskiwanie lepiszczem cząsteczek proszku,
- NPJ (_nanoparticle jetting_), czyli strumieniowe natryskiwanie mieszaniny nanocząsteczek materiału i ciekłego nośnika, która osadza się w postaci kropelek; redukuje się grubość pojedynczej warstwy do 2 µm; zostało opatentowane przez firmę Xjet,
- EBM (_electron beam melting_), czyli stapianie materiału wiązką elektronów w komorze próżniowej,
- EBAM (_electron beam additive manufacturing_) zbliżone do metody EBM, ale materiał podawany jest w formie drutu,
- EBF³ (_electron-beam freeform fabrication_) stosowane przez NASA do wytwarzania modeli 3D przez stapianie wiązką elektronów w warunkach braku grawitacji,
- LC (_laser cladding_) jest oparte na technice napawania laserowego; materiał podawany jest punktowo w postaci proszku/drutu, a następnie spiekany lub stapiany laserem; jest to jedna z podstawowych metod AM stosowanych w hybrydowych technikach typu AM+CNC, w tym napraw; stanowi właściwie rodzinę różnych technik, takich jak LMD, LENS, DMD i LDMD (zostaną one szerzej opisane w rozdz. 10),
- LDW (_laser deposition welding_) nazywane laserowym osadzaniem materiału przez spawanie; technika stosowana na szerszą skalę do napraw lub dodawania dodatkowych elementów zarysu przez firmę DMG Mori,
- LMD (_laser metal deposition_) polega na laserowym osadzaniu materiału w wyniku napawania proszkiem ( LMD-p) lub drutem (LMD-w),
- LENS (_laser engineering net shaping_) jest odmianą metody LC stosowaną do finalnego napawania laserowego części; metoda opracowana przez firmę Sandia Corporation,
- DMD (_direct metal depostion_), co oznacza bezpośrednie nakładanie/osadzanie materiału, jest również jedną z odmian rodziny metod typu LC.

Niewątpliwie najczęściej stosowana w przemyśle, a także najprostsza i najtańsza metoda to FDM (_fused deposition modeling_), która polega na nakładaniu kolejnych warstw roztopionego tworzywa termoplastycznego. Metoda umożliwia wykonywanie modeli o różnych właściwościach ze względu na stosowanie różnych materiałów, w tym ABS, PLA, PC, Nylonu, TPU i bardziej egzotycznych kompozytów na bazie włókna szklanego, węglowego czy domieszki pyłu drewnianego. Sprawdza się ona przede wszystkim w szybkiej produkcji pojedynczych części, dlatego konstruktorzy często wykorzystują ją do oceny projektów. Wytworzone elementy mają jednak małą wytrzymałość, ze względu na niekorzystną, warstwową strukturę wewnętrzną.

Kolejna grupa obejmuje metody z zastosowaniem żywic światłoczułych, m.in. SLA (_stereolithography_), DLP (_direct light processing_), CDLP (_continuous DLP_). Polegają one na utwardzaniu żywic różnym rodzajem światła, a znajdują zastosowanie w przemyśle i coraz częściej w amatorskim druku 3D. Dzięki wysokiej rozdzielczości pozwalają na wytworzenie niewielkich i dokładnych modeli o wysokiej jakości powierzchni, a także dużej różnorodności uzyskanych właściwości.

Do technologii przyrostowych zalicza się też spiekanie proszków, a więc grupę metod: SLS (_selective laser sintering_), SLM/DMLS (_selective laser melting/direct metal laser sintering_) i EBM (_electron beam melting_). Polegają one na spiekaniu kolejnych warstw proszku materiału skupioną wiązką energii (elektronów/lasera). W tych procesach stosowane są wytrzymałe materiały polimerowe (np. poliamidy, TPU), kompozytowe (np. PA+GF) i metaliczne (różne mieszaniny proszków metali, np. stale nierdzewne, tytan, aluminium). Ważną zaletą jest to, że nie wymagają one stosowania struktur podporowych w wydrukach, co pozwala na uzyskanie bardziej skomplikowanych kształtów. Metody te sprawdzają się w przypadku konieczności wytworzenia w jak najkrótszym czasie wielu części, bowiem całą przestrzeń roboczą wypełnia się modelami i wytwarza je wszystkie w jednym procesie. Kolejnymi zaletami są wydajność (ok. 10 razy większa niż w technologii FDM) oraz duża wytrzymałość. Wytworzone w ten sposób części mają praktycznie jednorodną strukturę wewnętrzną.

Do popularnych należą także metody typu _material jetting_, a więc m.in. stosowane w przemyśle _PolyJet_, _Multi Jet Fusion_. Metoda _PolyJet_ polega na nanoszeniu kolejnych warstw materiału, a następnie utwardzaniu ich światłem UV. Odbywa się to podczas jednego przejazdu głowicy, więc proces wydruku jest szybki. Zaawansowane maszyny umożliwiają również wydruk z barwieniem na różne kolory i z różnych wypełniaczy/filamentów. Uzyskiwane powierzchnie mają wysoką jakość, dlatego technologie te są wykorzystywane do produkcji realistycznych prototypów, wysokiej jakości krótkich serii produktów. Są jednak ograniczenia ze względu wysoki koszt maszyn i materiałów.

W praktyce przemysł stosuje procesy bazujące na bezpośrednim dostarczaniu energii, m.in. LENS (_laser engineering net shape_) oraz EBAM (_electron beam additive manufacturing_). Ich szczególną cechą jest to, że strumień materiału dostarczany jest przez specjalną dyszę i utwardzany za pomocą lasera lub strumienia elektronów bezpośrednio na powierzchni, na którą pada. Do istotnych zalet zalicza się możliwość druku na powierzchniach o dowolnym kształcie oraz bogaty wybór materiałów.O AUTORACH

PROF. DR HAB. INŻ. WIT GRZESIK
POLITECHNIKA OPOLSKA, WYDZIAŁ MECHANICZNY;
KATEDRA TECHNOLOGII MASZYN I MATERIAŁOZNAWSTWA Prof. dr hab. inż. Wit Grzesik był wielokrotnie członkiem Komitetu Budowy Maszyn PAN, Sekcji Podstaw Technologii KBM PAN, a od 2008 r. jest członkiem Międzynarodowej Akademii Inżynierii Produkcji CIRP. Wchodzi w skład komitetów redakcyjnych i zespołów recenzentów wielu krajowych i zagranicznych czasopism naukowych.

PROF. DR HAB. INŻ. ADAM RUSZAJ
POLITECHNIKA KRAKOWSKA, WYDZIAŁ MECHANICZNY; INSTYTUT TECHNOLOGII MASZYN
I AUTOMATYZACJI PRODUKCJI ORAZ PAŃSTWOWA WYŻSZA SZKOŁA ZAWODOWA W NOWYM SĄCZU – DYREKTOR INSTYTUTU TECHNICZNEGO
Prof. dr hab. inż. Adam Ruszaj jest członkiem: Sekcji Podstaw Technologii KBM PAN, Komisji Inżynierii Powierzchni O/PAN w Poznaniu oraz Akademii Inżynierskiej w Polsce. Kierował wieloma rządowymi projektami badawczymi oraz wdrażał w przemyśle polskim i zagranicznym niekonwencjonalne obrabiarki i procesy technologiczne.