01 Het ‘onvermijdelijke verband’ tussen onderwaterapparatuur en titaniumlegeringen
Ons land beschikt over overvloedige mariene hulpbronnen, en onderwateruitrusting is een cruciaal hulpmiddel bij het verkennen van de oceaan. Het belang ervan spreekt voor zich-. Vroeger werd onderwateruitrusting voornamelijk gemaakt van materialen op ijzer-basis. Later, om lichtgewicht te bereiken, werden materialen van aluminiumlegeringen op grote schaal gebruikt. Met de vooruitgang van de strategie om een maritieme macht te worden, moet onderwaterapparatuur echter de capaciteiten hebben voor lange- navigatie over lange- duur en operaties in diep- water. Titaniumlegeringen onderscheiden zich door hun lichte gewicht, hoge sterkte, corrosieweerstand en niet-magnetische eigenschappen, waardoor ze de ideale keuze zijn voor structurele materialen in onderwateruitrusting. Niettemin is de verwerking van titaniumlegeringen moeilijk, en traditionele verwerkingsmethoden hebben problemen zoals een slechte maatnauwkeurigheid, lange verwerkingscycli en hoge kosten. Dit biedt ook ruimte voor de toepassing van additieve productietechnologie, die niet alleen de problemen bij de verwerking van titaniumlegeringen oplost, maar ook de productie-efficiëntie en economische voordelen aanzienlijk verbetert.
02 Additive Manufacturing-technologie: van geboorte tot ontwikkeling
Het concept van additive manufacturing-technologie gaat terug tot het einde van de 19e eeuw in de Verenigde Staten. Vanwege de toenmalige technische beperkingen werd dit idee echter niet gerealiseerd. Pas in de jaren tachtig legden doorbraken in hoogenergetische thermische fusietechnologie en rapid prototyping-technologie de basis voor de ontwikkeling van additieve productietechnologie. Sindsdien is deze technologie voortdurend geëvolueerd en geleidelijk opgekomen in gebieden als de lucht- en ruimtevaart, de geneeskunde en de automobielsector, en is nu uitgegroeid tot een van de meest geavanceerde- sleuteltechnologieën in de productie-industrie. De kern van additive manufacturing-technologie ligt in de "laag--voor-laag-assemblage". Het maakt gebruik van warmtebronnen zoals lasers, elektronenstralen of bogen om poeders of draden te smelten, en bouwt ze laag voor laag op volgens een drie-dimensionaal model, waardoor uiteindelijk de algehele vorming van componenten wordt bereikt. Deze technologie doorbreekt niet alleen de beperkingen van de traditionele productie, maar biedt ook een nieuwe oplossing voor de productie van complexe constructies.
03 Toepassing van additieve productietechnologie in onderwateruitrusting van titaniumlegeringen
Innovatieve productie van propellers:
De propeller is een cruciaal voortstuwingsonderdeel van onderwaterapparatuur. In het verleden werden gegoten propellers van titaniumlegeringen geconfronteerd met de uitdagingen van hoge kosten en omslachtig proces. Toen het productievolume klein was, hoewel mechanische verwerking van dikke platen handiger was, was de materiaalbenutting extreem laag. In 2017 werkten Damen Group, de Duitse propellerfabrikant Promarin, softwareleverancier Autodesk en Rotterdam Additive Manufacturing Laboratory (RAMLAB) samen en voltooiden met succes 's werelds eerste drie-bladige nikkel-aluminiumbronslegering propeller (met een diameter van 1,35 meter en een gewicht van 400 kilogram) met behulp van additieve productietechnologie met boogdraad. De relevante prestatietests werden doorstaan en de auto werd gecertificeerd door het Franse classificatiebureau. China Shipbuilding Industry Group Fenxi Heavy Industry Co., Ltd. heeft samen met Shaanxi Changlong Jiuzhou Metal Technology Co., Ltd. LMD-technologie gebruikt om een proef-te produceren met een zeven- propeller van titaniumlegering (met een diameter van 800 mm en een gewicht van 30 kg), en vraagt momenteel certificering aan bij het Chinese Classificatiebureau. Vergeleken met traditionele productiemethoden demonstreert additieve productie unieke voordelen bij de productie van propellers en lost het veel problemen op.
Doorbraak in de productie van holle schalen:
Holle schelpen behoren tot de meest uitdagende componenten in onderwaterapparatuur. De traditionele methode om ringen te smeden en aan elkaar te lassen heeft problemen zoals hoge montageproblemen, talrijke lassen, grote lasvervormingen, een lage materiaalbenuttingsgraad en een lange verwerkingstijd. Ons bedrijf heeft met succes de proefproductie van holle schalen met behulp van LMD-technologie afgerond. Na het testen heeft dit onderdeel met succes de mechanische prestatietest en de externe waterdruktest doorstaan. Vergeleken met traditionele verwerkingsmethoden is de materiaalbenuttingsgraad gestegen van 50% naar 95%, is de verwerkingstijd verkort van 7 dagen naar 1 dag, zijn de productiekosten met 20% verlaagd, waardoor de productie-efficiëntie en economische voordelen aanzienlijk zijn verbeterd.
Onderzoek en experimenten met drukvaten:
In het buitenland heeft het Breddermann-team met succes halfronde granaten van GR5-titaniumlegering vervaardigd met behulp van LMD-technologie en er evaluaties en tests op uitgevoerd om hun potentiële toepassingen in onderwaterapparatuur te onderzoeken. Uit het onderzoek bleek dat het optimaliseren van de constructierichting en het introduceren van ondersteunende structuren de maatnauwkeurigheid van de tweede reeks halve bollen zou kunnen verbeteren. Uit de faaltests bleek dat het drukdraagvermogen van de tweede partij halve bollen aanzienlijk was toegenomen, wat belangrijke referenties opleverde voor de ontwikkeling van onderwateruitrusting van titaniumlegeringen.
04 Het "hoogtepunt" van Additive Manufacturing-technologie
Additieve productietechnologie verschilt van traditionele verwerkingstechnologieën. Gebaseerd op drie-dimensionale modellen, verwerkt het proces in lagen, waarbij gebruik wordt gemaakt van warmtebronnen zoals lasers, elektronenstralen of boogstromen om poeders of draden te smelten, en bouwt deze laag voor laag op om de algehele vorming van componenten te bereiken. Bij de constructie van onderwaterapparatuur van titaniumlegeringen heeft deze technologie duidelijke voordelen.
Sterk aanpassingsvermogen aan maat:
De laserselectieve smelttechnologie (SLM), hoewel beperkt door de ruimte van de vacuümkamer, kan binnenlandse en buitenlandse apparatuur meer dan 60% van de componenten van onderwaterapparatuur bestrijken, en met de ontwikkeling van technologie blijft de vormgrootte toenemen. Hoewel de technologieën voor laserfusiedepositie (LMD) en boogadditieve productie (WAAM) in principe geen beperkingen kennen aan de grootte van de componentvorming, kunnen ze voldoen aan de eisen van grote componenten en, na daaropvolgende fijne verwerking, aan de eisen van het gebruik van apparatuur.
Aanzienlijke voordelen bij het vervaardigen van complexe structuren:
Als we propellers en holle schalen als voorbeeld nemen, brengt de traditionele productiemethode hoge kosten, gecompliceerde processen en een laag materiaalgebruik met zich mee. Met additieve productietechnologie kunnen deze problemen worden opgelost en kan de productie-efficiëntie worden verbeterd. De zeven- propellers en holle schalen van titaniumlegering die ons bedrijf heeft laten produceren- zijn bijvoorbeeld aanzienlijk verbeterd wat betreft prestaties, kosten en verwerkingscyclus.
Materiaalsamenstelling en prestaties zijn gegarandeerd:
Uit onderzoek is gebleken dat de componenten van titaniumlegeringen die zijn verwerkt met additieve productietechnologie kunnen voldoen aan de standaardvereisten voor chemische samenstelling, en dat de mechanische eigenschappen van sommige proces-vervaardigde onderdelen van GR5-titaniumlegeringen ook aan de normen kunnen voldoen. Hoewel de impactenergie lager is dan die van smeedstukken, zijn de algehele prestaties goed.
