Как 3D отпечатването на алуминиеви сплави предефинира леките аерокосмически части

Аерокосмическите, UAV и сателитните инженери продължават да се сблъскват със същото твърдо ограничение: частта трябва да става по-лека, без да става по-слаба. Конвенционалната CNC работа започва с твърда заготовка, премахва по-голямата част от нея като скрап и все още не може да създаде вътрешна геометрия, която действително би намалила масата. Времето за изпълнение се разтяга, разходите за материали се покачват, а дизайнът остава ограничен от това, което може да достигне фрезата.3D печат на алуминиеви сплавипроменя това уравнение. Чрез депозиране на материал само там, където е необходимо, процесът отваря свобода на дизайна, която субтрактивните методи просто не позволяват.

Масата остава доминиращият двигател на производителността. Публичните данни от НАСА и големите производители на самолети показват, че всеки килограм, изваден от корпуса на самолета, може да намали изгарянето на гориво през целия живот с измеримо количество и да освободи полезен товар или обхват. При електрически UAV и малки сателити ефектът е по-незабавен-по-ниската маса директно удължава издръжливостта или позволява допълнителни сензори.

Традиционната механична обработка често води до високи съотношения-към-покупка. Една сложна скоба може да започне като голяма заготовка и да завърши с малка част от това тегло. Производството на добавки обръща съотношението, тъй като неизползваният прах до голяма степен може да се възстанови. Купуват се по-малко материали, по-малко се изхвърлят и геометрията вече не е ограничена от достъпа до инструменти.

Алуминиевите сплави остават практични за много метални 3D отпечатани компоненти, защото съчетават ниска плътност с използваема якост, устойчивост на корозия и заваряемост. Когато се обработва чрез сливане на лазерен прах-в легло, AlSi10Mg произвежда плътни части, които реагират добре на термична обработка.

AlSi10Mg е най-често срещаният избор за услуги за 3D печат от алуминиева сплав. След третиране с разтвор и стареене той осигурява свойства на опън, конкурентни на много класове отливки, като същевременно запазва предимството на теглото на процеса на почти-нетна-форма. Същите машини, които печатат алуминий, могат да преминат към титанови сплави, когато се изисква по-висока абсолютна якост или температурна устойчивост, което дава на инженерите опции в една фабрика за 3D печат на метал.

Това, което има най-голямо значение за дизайнерите, е ефективното съотношение-към-тегло след прилагане на топологията и вътрешните структури. Самият материал е само част от историята; способността да го поставите само по протежение на товарните пътеки прави останалото.

Три подхода последователно осигуряват най-голямото намаляване на масата:

Оптимизацията на топологията преразпределя материала по основните пътища на напрежение и премахва всичко останало. Получените форми изглеждат органични, но носят необходимите натоварвания при по-малко тегло. Повечето аерокосмически екипи сега третират триизмерния печат с оптимизация на топологията като стандартна ранна стъпка в дизайна, а не като експериментална опция.

Решетъчните и пчелни структури заменят плътните стени с контролирани вътрешни шарки. Твърдостта може да се регулира, докато масата пада. Решетъчна структура Приложенията за 3D печат в аерокосмическата промишленост се появяват в скоби, корпуси и топлообменници, където както структурните, така и топлинните характеристики имат значение.

Консолидацията на части превръща-компонентните възли в единични отпечатани компоненти. Скрепителните елементи, уплътненията и вторичните операции изчезват, заедно с тяхното тегло и потенциални точки на повреда. Времето за сглобяване и инвентарът се свиват едновременно.

Взети заедно, тези методи редовно водят до намаляване на теглото в диапазона 20–40 % в сравнение с оригиналните машинно обработени конструкции, въпреки че точната цифра винаги зависи от началните ограничения.

Добре{0}}отпечатаната и термично{1}}обработена алуминиева част рядко се завършва. Аерокосмическите среди все още изискват по-добра устойчивост на износване, електрическа проводимост, защита от корозия или умора, отколкото може да осигури изградената повърхност. Металното покритие за 3D отпечатани части се справя с тези пропуски.

Типичната последваща{0}}обработка започва с облекчаване на напрежението и стареене, последвано от CNC обработка на критични интерфейси и уплътняващи повърхности. След това идват анодизирането, покритията с химическа конверсия, никелът без електричество или други аерокосмически-качества. Точната последователност се определя от работната среда и изискванията за сертифициране.

Правилно нанесеното покритие затваря остатъчната повърхностна порьозност, повишава повърхностната твърдост и създава бариера срещу влага и корозивни среди. Издръжливостта на умора често се подобрява забележимо в сравнение с необработените повърхности, поради което много лет-критичниметални 3D отпечатани компонентивсе още получават покритие след машинна обработка.

Производител на UAV донесе на Sunhingstones структурна скоба, която вече беше оптимизирана за CNC, но все още не успя да постигне целевата маса при вибрационни натоварвания. Екипът приложи оптимизация на топологията и вътрешни решетки, след което отпечата детайла в AlSi10Mg. След топлинна обработка, механична обработка на интерфейса и защитно покритие, готовият компонент беше с 27% по-лек, като същевременно отговаряше на всички структурни и екологични изисквания. Времето от замразяването на дизайна до първия -готов за полет хардуер е съкратено с приблизително 40 % в сравнение с предишния многокомпонентен-маршрут. Същият производител на метален 3D печат по-късно подкрепи серията с малък{10}}обем на производство, показвайки, че процесът може да премине от прототип към сертифициран хардуер, когато има проследимост на материала и контрол на процеса.

Търговски групи, фокусирани върху обработката на повърхности и аерокосмическото производство, включително дискусии под егидата на ESTA, отбелязаха, че адитивните процеси преминават от експериментални програми към производствена употреба. Комбинацията от топологично-оптимизирани алуминиеви части и подходяща последваща-обработка, включително покритие, многократно се цитира като практичен път към по-лек летателен хардуер. Това признание отразява нарастващото доверие в технологията, когато системите за качество се прилагат правилно.

Само цената е лош филтър. Полезните критерии включват:

AS9100 или еквивалентен аерокосмически сертификат за качество

Пълна проследимост на материала и праха

Възможност за контролирана последваща-обработка (топлинна обработка, механична обработка, покритие)

Доказан опит с полет или{0}}подобен на полет хардуер

Ясен дизайн-за-допълнителни насоки и разумен обрат на прототипа

Възможност за преминаване от прототип към малко-до-средно производство, включително доставка на едро при увеличаване на обемите

Метална фабрика за 3D печат, която може да обсъди тези точки с конкретни примери, е по-вероятно да достави части, които отговарят както на инженерните нужди, така и на нуждите от график.

Ако претегляте металния 3D печат срещу настоящ лек аерокосмически компонент, практическата следваща стъпка е да споделите геометрията и изискванията за производителност с квалифициран производител. Кратък преглед на дизайна обикновено разкрива дали оптимизацията на топологията, решетъчните структури или консолидацията на части ще осигурят полезни печалби от теглото и графика за тази конкретна част.