Ток процеса 3Д штампања од легуре алуминијума

Легуре алуминијума, захваљујући својој одличној специфичној чврстоћи, доброј топлотној проводљивости и изузетној отпорности на корозију, дуго су се широко користиле као лаки материјали у ваздухопловству, аутомобилској производњи, електронској опреми и другим пољима. Уз континуирано сазревање технологије адитивне производње, 3Д-штампане легуре алуминијума постају важно комплементарно решење традиционалном ливењу под притиском, ковању и ЦНЦ машинској обради-посебно погодно за сложене структурне делове, мале-компоненте прилагођене малим-серијама и делове прототипа који захтевају брзу итеративну верификацију. Разумевање комплетног тока процеса 3Д-штампаних легура алуминијума помаже предузећима да боље процене применљивост ове технологије у сопственом развоју производа.

Главни процес 3Д-штампаних алуминијумских легура је следећи:

Прво, професионални софтвер за 3Д моделирање као што је СолидВоркс или АутоЦАД се користи за прецизно пројектовање тродимензионалног модела-потребне компоненте алуминијумске легуре. Овај модел мора пажљиво размотрити факторе као што су облик, димензије и унутрашња структура дела како би се осигурало да коначни одштампани део испуњава стварне захтеве услуге.

У овој фази, дизајнери обично у потпуности користе слободу дизајна коју пружа адитивна производња и комбинују алгоритме оптимизације топологије да би извршили лагани структурални дизајн на компоненти. Непотребан материјал се уклања док се одржавају механичке перформансе, чиме се додатно смањује тежина дела и штеди време штампања и трошкови материјала. Поред тога, фаза пројектовања мора свеобухватно да размотри избор оријентације изградње, распоред потпорних конструкција и резервисане додатке за накнадну машинску обраду. Оријентација конструкције не утиче само на квалитет површине и тачност димензија, већ директно одређује количину потребног потпорног материјала и тежину површинске обраде након уклањања носача. За критичне димензије које захтевају монтажу или накнадну машинску обраду, дизајнери често резервишу додатак за машинску обраду од приближно 0,2–0,5 мм тако да се коначне толеранције могу постићи операцијама завршне обраде у фази -после обраде.

Завршени тродимензионални модел-увезен је у софтвер за сечење који прати опрему за 3Д штампање. Софтвер за сечење врши слојевиту-слојну-слојну обраду модела у складу са принципима рада и захтевима параметара 3Д штампача, генеришући серију дводимензионалних-података о пресеку. Ови подаци дефинишу путању таложења, дебљину и друге информације за сваки слој материјала од легуре алуминијума.

Осим основног слојевања, софтвер за резање у овој фази предузима неколико критичних задатака. Прво је аутоматско генерисање и оптимизација потпорних структура: за превисе или стрмо нагнуте делове модела, софтвер интелигентно израчунава и додаје неопходне ослонце који обезбеђују стабилност током штампања док минимизирају запремину носача како би се смањиле потешкоће накнадног уклањања и отпада материјала. Друго је постављање стратегија путање скенирања, укључујући редослед и правац скенирања граница контуре и скенирања унутрашњег пуњења; ови параметри директно утичу на расподелу заосталог напрезања унутар дела и његове коначне механичке особине. Поред тога, софтвер за сечење мора да подеси одговарајуће параметре дебљине слоја према врсти опреме. Тањи слојеви генерално дају већу тачност обликовања и квалитет површине, али значајно продужавају време штампе, тако да се мора постићи равнотежа између захтева за прецизност и ефикасности производње.

3Д штампање од алуминијумске легуре обично користи специфичне прахове легуре алуминијума као сировине. Ови прахови морају имати добру течљивост, уједначену дистрибуцију величине честица и друге карактеристике како би се обезбедио несметан транспорт и синтеровање током процеса штампања.

Тренутно, разреди праха легуре алуминијума који се најчешће користе у индустрији углавном укључују АлСи10Мг, АлСи7Мг и одређене-системе од легуре алуминијума високе чврстоће (као што су Ал-Цу серија и нови прахови од алуминијумских легура Ал-Сц-Зр серије). Међу њима, АлСи10Мг, са својим добрим укупним перформансама и зрелим системом параметара процеса, тренутно је најшире примењена класа. Нуди одличну способност ливења и стабилне механичке особине, што га чини веома погодним за штампање танких-и сложених структурних делова. Обично се захтева да сферичност праха прелази 95%, а расподела величине честица се генерално контролише у опсегу од 15–53 μм; прашкови који су превише груби или сувише фини ће утицати на униформност распростирања праха и квалитет формирања. Поред тога, прах легуре алуминијума лако апсорбује влагу и поседује одређени степен запаљивости. Током складиштења и употребе, влажност околине мора бити строго контролисана и морају се предузети одговарајуће мере за спречавање експлозије- и пожара{17}. Ово је тачка од посебног значаја за управљање безбедношћу у 3Д штампи од легуре алуминијума у ​​поређењу са штампањем других метала.

Расипање праха: Уређај за{0}}насипање праха опреме за штампање равномерно разноси танак слој праха од легуре алуминијума на платформу за изградњу.

Ласерско синтеровање: Компјутерски{0}}контролисани ласерски зрак селективно синтерује слој распрострањеног праха у складу са путањом одређеном подацима о резовима. Ласерска енергија брзо топи и учвршћује честице праха у локалним деловима, чиме се гради тродимензионална чврста супстанца која одговара моделу слој по слој.

Акумулација-по{1}}слој: Кораци наношења праха и ласерског синтеровања се понављају, синтеровањем праха легуре алуминијума слој за слојем док се цела компонента не одштампа.

У стварној производњи, фаза формирања укључује много детаља који захтевају прецизну контролу. Пошто алуминијумске легуре имају релативно високу ласерску рефлексију и топлотну проводљивост, прах легуре алуминијума је склонији куглању, порозности и другим дефектима током формирања од материјала као што су легуре титанијума или нерђајући челик. Произвођачи опреме стога обично морају посебно да оптимизују комбинације параметара процеса-снаге ласера, брзине скенирања, размака између отвора итд. – за легуре алуминијума. Цео процес формирања се такође мора одвијати унутар затворене коморе заштићене инертним гасом као што је аргон, са садржајем кисеоника који је строго контролисан на изузетно ниском нивоу (обично испод 100 ппм) како би се спречило да високо реактивни алуминијумски прах оксидира или чак експлодира на високој температури. Поред тога, платформа за израду је обично умерено загрејана да би се смањила заостала напрезања изазвана прекомерним температурним градијентом унутар дела и да би се смањила вероватноћа савијања и деформације током штампања.

Након што се штампање заврши, део може да захтева одређене радње{0}}после обраде, као што је уклањање заосталог праха са површине, брушење, полирање и други третмани ради побољшања квалитета и прецизности површине. Топлотна обрада и други процеси се такође могу применити да би се додатно побољшале перформансе компоненте алуминијумске легуре.

Конкретно, накнадна{0}}обрада 3Д-штампаних делова од легуре алуминијума обично укључује следеће кораке. Прво је уклањање праха и уклањање подлоге: заостали неотопљени прах унутар унутрашњих канала и на површини морају се темељно очистити, а потпорне структуре додане током штампања морају бити уклоњене. Овај корак је посебно критичан за делове са сложеним унутрашњим шупљинама и често захтева специјализовану опрему као што је уклањање вибрационог праха и прочишћавање протока ваздуха. Друго је топлотна обрада, укључујући-ублажавање стреса и третман старења раствора. Жарење-за ублажавање напрезања се углавном користи за елиминисање заосталих напона насталих током штампања и за спречавање деформације или пуцања током накнадне употребе или машинске обраде. За типове као што је АлСи10Мг, третман старењем раствора може додатно побољшати структуру зрна и побољшати чврстоћу и дуктилност материјала, приближавајући или чак надмашујући механичке особине традиционалних делова од{11}} ливених алуминијумских легура. Поред тога, за компоненте које носе критично оптерећење{13}}које захтевају велику густину, може се извршити вруће изостатичко пресовање (ХИП); окружење високе{14}}температуре и високог{15}}притиска елиминише микроскопске дефекте порозности унутар дела и додатно побољшава перформансе замора. Коначно, у складу са специфичним захтевима за примену дела, примењују се механичка обрада, пескарење, анодизација, премазивање и други површински третмани како би се испунили захтеви за тачност димензија, квалитет изгледа или посебну функционалност (као што је отпорност на хабање, изолација или естетика).

У стварним одлукама о избору, предузећа често морају да измере 3Д-штампане алуминијумске легуре у односу на традиционалне процесе{2}} ливења под притиском. Традиционално ливење под притиском има значајну предност у погледу цене у-производњи великог обима; јединични трошак се брзо смањује како се обим повећава. Међутим, то захтева развој наменских калупа у раној фази. Дизајн и производња калупа обично трају неколико недеља или чак месеци, а свака промена дизајна често значи укидање калупа и поновно улагање. Насупрот томе, 3Д-штампане легуре алуминијума уопште не захтевају калупе; након што је датотека дизајна потврђена, штампање може почети директно. Посебно је погодан за брзу верификацију прототипа током развоја новог производа и за производњу малих{11}}комплексних делова или делова по мери које је тешко формирати у једном кораку ливењем под притиском. Истовремено, 3Д штампа може да реализује сложене унутрашње канале протока, решетке и шупље структуре које је тешко постићи ливењем под притиском, пружајући већи простор за дизајн за смањење тежине производа и функционалну интеграцију.

Користећи своје предности у лакоћи и слободи дизајна, 3Д-штампана технологија легуре алуминијума већ је нашла практичну примену у више области. У ваздухопловству, 3Д штампање од легуре алуминијума се широко користи за производњу структурних делова УАВ-а, носача за сателите и других компоненти са строгим захтевима за{4}}смањење тежине. У аутомобилској производњи, сложени делови канала -проточних канала као што су усисне гране и водена{7}}кућишта за тркачка и возила високих{8}}возила све више се производе интегрисаном 3Д штампом од легуре алуминијума, што скраћује развојне циклусе и омогућава{10}}оптимизацију канала протока које не могу постићи дизајн оптимизације традиционалних процеса. У областима електронске опреме и управљања топлотом, добра топлотна проводљивост алуминијумских легура у комбинацији са сложеним -ребрима за дисипацију топлоте и структурама канала биомиметичког протока- које 3Д штампање може да реализује има широку примену у производњи хладњака и парних комора за електронске уређаје високих{15}} Поред тога, у производњи калупа, 3Д штампање од легуре алуминијума се користи за производњу уметака калупа са конформним каналима за хлађење, ефективно скраћујући време хлађења у производњи бризгања или ливења{18}} и побољшавајући ефикасност производње.

Кроз блиску координацију дизајна модела, обраду података, припрему материјала, штампање/формирање и накнадну{0}}обраду, 3Д-штампана технологија легуре алуминијума обезбеђује ефикасан и флексибилан технички пут за производњу лаких, сложених-делова од легуре алуминијума са сложеном структуром. У поређењу са традиционалним процесима-ливања и машинске обраде, ова технологија показује јединствене предности у слободи дизајна, циклусу развоја и малој-серијској производњи по мери. Иако остају изазови у вези са високим-трошковима производње и одређеним контролама детаља процеса, уз континуирано смањење трошкова материјала у праху од легуре алуминијума и континуирано побољшање система параметара процеса, очекује се да ће 3Д-штампане легуре алуминијума постићи опсежније и дубље примене у ваздухопловству, производњи аутомобила, многим другим областима управљања топлотом и електроником.