Wymogi konkurencyjności obligują przedsiębiorstwa z różnych sektorów przemysłowych do optymalizacji łańcucha dostaw części zamiennych i adaptacji nowych rozwiązań w dziedzinie utrzymania ruchu. Jednym z takich rozwiązań jest wykorzystanie wytwarzania przyrostowego do zastosowań naprawczych. Techniki przyrostowe, mające za sobą długą drogę od szybkiego prototypowania po szybkie wytwarzanie komponentów przemysłowych, sprawdzają się także przy ich regeneracji, oferując szerokie możliwości z zakresu szybkiej reprodukcji zużytych bądź uszkodzonych podzespołów do stanu pełnej funkcjonalności.
Różne metody addytywne od dawna wykorzystywane są do aplikacji specjalistycznych powłok. Zaś w ostatnich latach dokonał się swego rodzaju przełom w przyrostowym wytwarzaniu elementów przestrzennych, o niejednokrotnie bardzo skomplikowanej budowie. Połączenie kompetencji przyrostowego nakładania powłok i generowania struktur przestrzennych sprawia, że techniki przyrostowe w zakresie naprawy i reprodukcji komponentów znajdują zastosowanie w wielu sektorach przemysłowych.
Regeneracja torów kolejowych
W kolejnictwie konserwacja i wymiana torów stanowi znaczną część wydatków na utrzymanie sieci kolejowej. Jednymi z czynników wpływających na zużycie szyn są ścieranie i zmęczenie toczne. Często nawet pojedynczy defekt skutkuje wymianą całego elementu. Przy czym nie są to podzespoły o bardzo skomplikowanej geometrii, co sprawia, że ich naprawa z wykorzystaniem technik przyrostowych jest technologicznie prosta i stanowi atrakcyjną alternatywę dla wymiany takich elementów, która zwykle wiąże się z wyłączeniem całego odcinka z ruchu i wymaga większych nakładów finansowych.
W Wielkiej Brytanii, wraz z nawet dwukrotnym w przypadku niektórych połączeń wzrostem liczby pasażerów w przeciągu ostatnich dwudziestu lat, koleje zwiększyły częstotliwość i prędkość kursowania pociągów, co nie pozostało bez wpływu na starzejącą się infrastrukturę. Napięty budżet, problemy z zatrudnieniem i kosztami pracy dodatkowo komplikują sytuację. Rośnie więc zapotrzebowanie na nowe rozwiązania, pozwalające usprawnić m.in. utrzymanie infrastruktury szynowej. Inżynierowie z firmy Amey analizują wykorzystanie technik wytwarzania przyrostowego w kontekście naprawy torów kolejowych. Zautomatyzowanie i zrobotyzowane systemy addytywne mają zapewnić skrócenie czasu operacji o niemal 80% i wyeliminować ryzyko, związane z przebywaniem pracowników na torach. Odpowiednio dobrana technologia ma z kolei umożliwić naprawę szyn, wcześniej klasyfikujących się do zezłomowania i wymiany na nowe, co ma przynieść znaczną oszczędność kosztów, szacowaną na nawet 40 mln funtów w skali całego kraju i zapewnić 40% redukcję strat materiałowych.
Nad taką właśnie technologią trwają pracę w ramach projektu In2Track programu Shift2Rail. Projekt, prowadzony przez Network Rail we współpracy z TWI, koncentruje się na wieloaspektowym badaniu wytwarzania przyrostowego skrzyżowań i rozjazdów torów kolejowych, jako elementów najbardziej narażonych na negatywne skutki zjawisk zachodzących w strefie kontaktu kół pociągu z szynami. W wyniku przeprowadzonych doświadczeń, dobrano optymalne parametry technologiczne zrobotyzowanego procesu przyrostowego. Zastosowany materiał to wysokoodporna na ścieranie stal Hadfielda, dostarczana w postaci drutu rdzeniowego i aplikowana przy pomocy techniki spawalniczej MAG.
Przetestowana metodologia produkcji czy regeneracji skrzyżowań i rozjazdów obejmuje podgrzewanie wstępne przy pomocy mat ceramicznych do temperatury 50 °C i maksymalną wartość temperatury pomiędzy posuwami wynoszącą 300 °C. W przyszłości rozważane jest zwiększenie temperatury podgrzewania wstępnego do 100 °C w celu poprawy właściwości materiałowych w strefie wpływu ciepła i zwiększenie wytrzymałości uderzeniowej spoiny poprzez zastosowanie jednolitego drutu stalowego w podajniku lub dostrojenie parametrów drutu rdzeniowego do zastosowań przyrostowych. Przy optymalnych parametrach opisana metoda pozwala zautomatyzować proces regeneracji komponentów torów kolejowych, w sposób umożliwiający wydłużenie ich eksploatacji, zapewnia skrócenie czasu naprawy i przyczynia się do redukcji kosztów utrzymania infrastruktury kolejowej.
Serwis silników lotniczych
Konserwacja i naprawa komponentów ma istotne znaczenie także dla producentów i operatorów branży lotniczej, do czego przyczyniają się m.in. rosnące koszty materiałowe i produkcyjne. Przykładem podzespołów lotniczych, do regeneracji których wykorzystuje się techniki przyrostowe są komponenty silników. Pracują one w ekstremalnych warunkach, na które składają się wysokie obroty, wibracje, temperatura i ciśnienie. Ryzyko wystąpienia uszkodzeń spowodowanych ścieraniem, korozją cierną, naprężeniami, pełzaniem czy zmęczeniem materiału jest więc wysokie i wymaga kompleksowej diagnostyki, szczególnie w przypadku komponentów o znaczeniu krytycznym dla bezpieczeństwa. Uszkodzone bądź zużyte części w centrum serwisowym są kwalifikowane do naprawy lub wymiany. Alternatywą dla wymiany takich elementów czy ich naprawy konwencjonalnymi metodami jest ich regeneracja przy użyciu technologii przyrostowych, coraz częściej wykorzystywanych przez podmioty na rynku lotniczym. Korzyści wynikające z zastosowania tych technologii, na które zwraca się uwagę w tym kontekście to przede wszystkim krótszy czas procesu w porównaniu do napraw czy produkcji dotychczasowymi sposobami, jak też nawet dwukrotna redukcja kosztów, w porównaniu z zakupem nowej części. Na drodze rozpowszechnieniu zastosowania rozwiązań przyrostowych w zakresie regeneracji komponentów lotniczych stoją jednak rygorystyczne normy techniczne, przy których opracowaniu nie były jeszcze brane pod uwagę nowe możliwości wytwarzania addytywnego. Jako że istnieją zasadnicze różnice w przygotowaniu i przebiegu konwencjonalnych i przyrostowych procesów technologicznych, jest konieczne opracowanie nowych metod certyfikacji, przeznaczonych dla wytwarzania addytywnego takich elementów.
Tego typu certyfikat uzyskała m.in. grupa Avio Aero, świadcząca usługi obsługi technicznej silników lotniczych General Electric. W centrum serwisowym Avio Aero w Pomigliano d’Arco, we współpracy z Additive Repair Development Centre na politechnice w Bari opracowano i wdrożono metodologię naprawy i regeneracji komponentów napędów lotniczych techniką gazodynamicznego natryskiwania na zimno (cold spray). Jednym z podzespołów regenerowanych tą metodą jest pokrywa układu przeniesienia napędu, znajdująca się w bezpośredniej bliskości przekładni poruszających się z prędkością od 8 do 14 tys. obrotów na minutę. Podczas dziesiątek tysięcy godzin pracy przekładni, pokrywa może ulegać stopniowemu zużyciu pod wpływem wibracji i naprężeń termicznych. Uszkodzenia koncentrują się zwykle w okolicy punktów montowania łożysk przekładni.
Metoda gazodynamicznego natryskiwania na zimno wykorzystuje strumień gazu (helu lub azotu) pod wysokim ciśnieniem do przyspieszenia cząstek sproszkowanego metalu do prędkości rzędu Mach 4. Przyspieszone cząstki w strumieniu gazowym kierowane są na zużytą powierzchnię, o którą uderzają z siłą powodującą ich osadzenie. W ten sposób, warstwa po warstwie zostaje odtworzona pierwotna geometria elementu. Podczas całego procesu zarówno cząstki metalicznego proszku, jak i materiał bazowy zachowują stały stan skupienia, co zapobiega powstawaniu naprężeń termicznych i ogranicza porowatość. Stąd też proces określany jest metodą natryskiwania na zimno. Jego zastosowanie eliminuje potrzebę wymiany całej pokrywy układu przeniesienia napędu, co przekłada się na oszczędności rzędu setek tysięcy dolarów.
Energetyka
W podobny sposób otwierają się szerokie perspektywy związane z upowszechnieniem technik wytwarzania przyrostowego w sektorze energetycznym, także w kontekście naprawy uszkodzonych elementów. Tu również zasadnicze znaczenie ma czas naprawy, podczas którego newralgiczne urządzenia, takie jak turbiny gazowe pozostają wyłączone z eksploatacji. Ich podzespoły, podobnie jak komponenty silników lotniczych, pracują w ekstremalnych warunkach. Szczególnie, że wzrost efektywności turbiny wiąże się ze zwiększeniem temperatury spalania (do nawet 1650 °C), co z kolei przekłada się na żywotność jej elementów.
Jednymi z komponentów turbiny gazowej, istotnymi z punktu widzenia efektywności, a jednocześnie narażonymi na działanie ekstremalnych temperatur są palniki, zapalające mieszankę paliwa i sprężonego powietrza. Ich korpusy wykonywane są ze stali nierdzewnej o podwyższonej odporności termicznej, a głowice ze stopu na bazie niklu, wykazującego się dużą wytrzymałością mechaniczną i odpornością na pełzanie nawet w ekstremalnie wysokich temperaturach. Jednak po 20-30 tys. godzin pracy, na głowicach pojawiają się pierwsze oznaki zużycia.
Takie palniki są wymieniane podczas standardowej procedury serwisowej. Inżynierowie Siemensa opracowali metodę regeneracji zużytych palników turbin gazowych, z wykorzystaniem technologi przyrostowej LBM (Laser Beam Melting). W odróżnieniu od konwencjonalnej metody, wymagającej wycięcia nie tylko zużytej głowicy, ale też dużej części nieuszkodzonego korpusu, a także prefabrykowania nowej części, nowa technika umożliwia odtworzenie wyeksploatowanej części głowicy bez konieczności ingerencji w korpus. Powstała po precyzyjnym skrawaniu głowicy powierzchnia służy za podstawę przyrostowego odtworzenia elementu na specjalnie przystosowanym stanowisku LBM. Jest pokrywana sproszkowanym materiałem, który zostaje na niej utrwalony przez spiekanie wiązką laserową, warstwa po warstwie. Przebiegający w ten sposób proces naprawy palników turbin gazowych zapewnia znaczną oszczędność materiału, przebiega niemal w całości na jednym stanowisku i wiąże się z dodatkową oszczędnością czasu i kosztów produkcji.
Doświadczenia zdobyte przy pracy nad przyrostową naprawą palników zaowocowały następnie uruchomieniem produkcji tych elementów w całości metodą SLM (Selective Laser Melting) w zakładach Siemensa w Finspång w Szwecji. Palniki są wytwarzane jako pojedynczy element o integralnej budowie, co stanowi znaczne udoskonalenie w porównaniu do pierwotnej konstrukcji, złożonej z 13 części i 18 połączeń spawanych.
Podsumowanie
Przydatność przyrostowych technik naprawy i regeneracji komponentów przemysłowych potwierdzają kolejne zastosowania w różnych sektorach rynku. Nieustannie trwają też prace nad uzyskaniem certyfikatów, wymaganych w przypadku nowych metod naprawy podzespołów krytycznych dla bezpieczeństwa. Zwraca się także uwagę na możliwości, związane z rozpowszechnieniem rozwiązań wytwarzania przyrostowego na skalę umożliwiającą decentralizację obsługi technicznej i rezygnację z prefabrykacji części zamiennych w ilościach hurtowych. Potencjał addytywnych metod naprawczych zapewnia bowiem całkiem nowe możliwości w zakresie wydłużenia resursu komponentów przemysłowych, a zakres oferowanych rozwiązań będzie się dalej rozwijał o kolejne branże i produkty. Dla wielu przedsiębiorstw regeneracja zużytych podzespołów takimi metodami może być także pierwszym krokiem na drodze do wdrożenia technologii wytwarzania przyrostowego do zastosowań produkcyjnych.
Jacek Zbierski
amey.co.uk
avioaero.com
twi-global.com
siemens.com
artykuł pochodzi z wydania 11 (146) listopad 2019
