Rewolucja w produkcji narzędzi do formowania: technologia EHLA
Fraunhofer ILTPłytki bipolarne do ogniw paliwowych są produkowane masowo w zaledwie kilka sekund. Narzędzia formujące stosowane do ich wytwarzania są frezowane z wysokiej jakości stopów metali, które zapewniają im wysoką odporność na zużycie. W ramach krajowego planu działania na rzecz produkcji ogniw paliwowych (H2GO), Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT w Akwizgranie wprowadza nowe rozwiązanie: zamiast frezować narzędzia z drogiego, litego bloku, instytut wykorzystuje ekstremalnie szybkie napawanie laserowe (EHLA) do nanoszenia warstw funkcjonalnych odpornych na zużycie na tanią stal konstrukcyjną, blisko finalnego kształtu. Takie podejście pozwala na redukcję kosztów, czasu budowy i zużycia narzędzi. Proces EHLA może być również stosowany do naprawy uszkodzonych lub zużytych narzędzi, co stanowi istotny wkład w gospodarkę obiegu zamkniętego.
– Obieramy zupełnie nowy kierunek – mówi Dora Maischner, kierowniczka projektu w Fraunhofer ILT. – Do tej pory narzędzia formujące do płytek bipolarnych były frezowane z wysokiej jakości stali narzędziowej w procesach trwających wiele godzin. My nanosimy warstwę funkcjonalną odporną na zużycie, blisko finalnego kształtu, na tani materiał.
Maischner pracuje nad pod projektem R2HP (Ready to Hydrogen Production), który jest częścią szeroko zakrojonego projektu badawczego H2GO – Krajowy Plan Działań na rzecz Produkcji Ogniw Paliwowych, w którym uczestniczy 18 instytutów Fraunhofera w Niemczech. Fraunhofer ILT współpracuje z sąsiadującym Fraunhofer Institute for Production Technology IPT oraz Fraunhofer Institute for Machine Tools and Forming Technology IWU w Chemnitz, aby opracować nowy proces produkcji połówek płytek bipolarnych. Celem jest wydłużenie żywotności wysoce obciążonych i precyzyjnie ukształtowanych narzędzi formujących, jednocześnie zmniejszając ich koszty i czas budowy, a także opracowanie wydajnego procesu naprawy uszkodzonych lub zużytych narzędzi. Kluczowym elementem tego rozwiązania jest opracowany przez Fraunhofer ILT proces EHLA.
Rewolucyjne podejście do produkcji narzędzi
Nowoczesne systemy EHLA 3D osiągają prędkości ponad 30 metrów na minutę. Dzięki cyfrowym łańcuchom procesowym warstwy funkcjonalne odporne na zużycie mogą być nanoszone szybko i efektywnie za pomocą procesu addytywnego. Co więcej, trójwymiarowa struktura materiału może być kontrolowana na tyle precyzyjnie, że wysoce odporna na zużycie warstwa, napawana na tanią stal konstrukcyjną, jest bardzo zbliżona do zamierzonego finalnego kształtu.
Dotychczas narzędzia te były frezowane z litego bloku w wielogodzinnym procesie, który mocno obciążał frezarki; teraz wymagają jedynie precyzyjnego wykończenia. Nowy proces oparty na EHLA zmniejsza także koszty, ponieważ wystarczy nanieść cienką warstwę wysokiej jakości materiału. Jednocześnie, ponieważ materiał jest nanoszony niemal w finalnym kształcie, a obróbka mechaniczna jest minimalizowana, czas budowy i koszty narzędzi można znacząco obniżyć.
Czym wyróżnia się proces EHLA?
W procesie EHLA proszek topi się nad powierzchnią elementu w wiązce laserowej – innymi słowy, jest nanoszony na powierzchnię już w postaci ciekłej.
– W procesie EHLA to nie element, a proszek pochłania większość energii lasera, zanim dotrze do powierzchni – wyjaśnia Viktor Glushych, kierownik grupy Coating LMD and Heat Treatment w Fraunhofer ILT.
Ten opatentowany proces znacząco przyspiesza napawanie w porównaniu z konwencjonalnym napawaniem laserowym, minimalizuje obciążenie cieplne komponentów i tworzy bardziej jednorodne mikrostruktury w warstwach metalu. To z kolei poprawia odporność na zużycie.
Zwiększona odporność na zużycie
Materiały powłokowe stosowane w trwającym projekcie badawczym to stal szybkotnąca 1.3343 oraz martenzytyczna stal nierdzewna Ferro55, które cechują się wysoką twardością i odpornością na zużycie.
– 1.3343 ma twardość około 830 HV0.5, a Ferro55 około 820 HV0.5. Są one zbliżone do standardowej stali narzędziowej 1.2379, używanej zarówno w stanie utwardzonym, jak i nieutwardzonym – wyjaśnia Maischner.
Ochrona przed zużyciem może być nanoszona z prędkością 30 metrów na minutę; grubość powłoki wynosi około 1,2 mm na warstwę. Wymaganą grubość powłoki można osiągnąć poprzez nałożenie kilku warstw – w tym przypadku jednego milimetra. Cyfrowy system sterowania zapewnia precyzyjne i selektywne formowanie materiału, co umożliwia produkcję trwałych powłok ochronnych. Według zespołu struktura powłoki ma większe znaczenie dla ochrony przed zużyciem niż twardość materiału.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
– Odporność na zużycie w dużej mierze zależy od mikrostruktury materiału – mówi Glushych. – EHLA tworzy niezwykle drobnoziarniste mikrostruktury, które poprawiają właściwości mechaniczne i znacznie zmniejszają ścieranie.
Test zużycia ślizgowego
Aby precyzyjnie ocenić odporność na zużycie, Fraunhofer ILT stosuje test zużycia ślizgowego opracowany przez Uniwersytet Techniczny w Clausthal, który symuluje realistyczne scenariusze zużycia. System dociska trzpień do płytki z określoną siłą i porusza nim w przód i w tył. Następnie dokładnie mierzy się ilość usuniętego materiału. Dotychczasowe wyniki wskazują na znaczące korzyści powłok nanoszonych metodą EHLA w porównaniu z konwencjonalnymi materiałami.
Ponowne użycie narzędzi
Zespół koncentruje się również na wydajnej produkcji i ponownym użyciu narzędzi.
– Już teraz współpracujemy z firmami produkującymi narzędzia do płytek bipolarnych i otrzymaliśmy bardzo pozytywne opinie – mówi Glushych.
Szczególnie interesującą kwestią jest możliwość budowy warstw funkcjonalnych blisko finalnego kształtu z typowymi dla procesu EHLA prędkościami, co znacząco skraca czasochłonne kroki obróbki ubytkowej. Możliwość regeneracji zużytych narzędzi za pomocą tego samego procesu EHLA również spotkała się z pozytywnym odzewem.
H2GO – Krajowy Plan Działań na rzecz Produkcji Ogniw Paliwowych
Projekt H2GO rozpoczął się w maju 2022 roku i potrwa do listopada 2025 roku. Instytut Fraunhofera ds. Obrabiarek i Technologii Formowania IWU w Chemnitz koordynuje wspólny projekt, który jest finansowany przez Federalne Ministerstwo Cyfryzacji i Transportu (BMDV) kwotą 80 milionów euro. Osiemnaście instytutów Fraunhofera opracowuje opłacalne metody produkcji ogniw paliwowych w celu konwersji pojazdów ciężarowych na bezemisyjne układy napędowe.
Źródło: Fraunhofer ILTFraunhofer ILT szybko i precyzyjnie pokrywa komponenty ogniw paliwowych odpornymi na zużycie powłokami w systemie EHLA, przygotowując się do produkcji na dużą skalę.
Proces EHLA – innowacja Fraunhofer ILT
Fraunhofer ILT rozwija proces EHLA od 2012 roku, dostosowując go do nowych zastosowań. Dzięki temu powierzchnie można chronić przed zużyciem i korozją w sposób efektywny i przyjazny dla środowiska. EHLA znajduje zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym, lotniczym oraz w instalacjach offshore, gdzie wymagana jest odporność na zużycie i korozję. W rozszerzonej wersji EHLA3D proces umożliwia szybkie powlekanie oraz precyzyjne wytwarzanie złożonych, trójwymiarowych kształtów z różnych materiałów wysokowytrzymałych, takich jak stale narzędziowe, tytan czy aluminium.
Źródło: Fraunhofer
