Процес на 3D печат от алуминиева сплав

Алуминиевите сплави, благодарение на тяхната отлична специфична якост, добра топлопроводимост и изключителна устойчивост на корозия, отдавна са широко използвани като леки материали в космическото, автомобилното производство, електронното оборудване и други области. С непрекъснатото съзряване на технологията за адитивно производство, 3D-отпечатаните алуминиеви сплави се превръщат във важно допълващо решение към традиционното леене под налягане, коване и обработка с ЦПУ-особено подходящи за сложни структурни части, малки-партиди персонализирани компоненти и прототипни части, които изискват бърза итеративна проверка. Разбирането на пълния процес на 3D-отпечатани алуминиеви сплави помага на предприятията да оценят по-добре приложимостта на тази технология в собственото си разработване на продукти.

Основният процес на 3D-отпечатани алуминиеви сплави е както следва:

Първо, професионален софтуер за 3D моделиране като SolidWorks или AutoCAD се използва за прецизно проектиране на три-измерния модел на необходимия компонент от алуминиева сплав. Този модел трябва внимателно да вземе предвид фактори като формата, размерите и вътрешната структура на частта, за да гарантира, че крайната отпечатана част отговаря на действителните изисквания за обслужване.

На този етап дизайнерите обикновено се възползват напълно от свободата на проектиране, предоставена от адитивното производство, и комбинират алгоритми за оптимизиране на топологията, за да изпълнят олекотен структурен дизайн на компонента. Ненужният материал се отстранява, като същевременно се запазват механичните характеристики, като по този начин допълнително се намалява теглото на частите и се спестяват време за печат и разходи за материали. В допълнение, етапът на проектиране трябва да обмисли изчерпателно избора на ориентация на конструкцията, оформлението на опорните конструкции и резервите, запазени за последваща обработка. Ориентацията на конструкцията не само влияе върху качеството на повърхността и точността на размерите, но също така директно определя количеството необходим опорен материал и трудността на повърхностната обработка след отстраняване на опората. За критични размери, които изискват напасване при сглобяване или последваща механична обработка, дизайнерите често запазват допустимо отклонение за машинна обработка от приблизително 0,2–0,5 mm, така че крайните допуски да могат да бъдат постигнати чрез довършителни операции в етапа на последваща -обработка.

Завършеният три{0}}измерен модел се импортира в софтуера за нарязване, който придружава оборудването за 3D печат. Софтуерът за нарязване извършва-слой по-обработка на модела в съответствие с работните принципи и изискванията за параметри на 3D принтера, генерирайки серия от-двуизмерни данни за срезове. Тези данни определят пътя на отлагане, дебелината и друга информация за всеки слой материал от алуминиева сплав.

Освен основното наслояване, софтуерът за нарязване изпълнява няколко критични задачи на този етап. Първото е автоматичното генериране и оптимизиране на опорни структури: за надвиснали или силно наклонени секции на модела, софтуерът интелигентно изчислява и добавя необходимите опори, които осигуряват стабилност по време на печат, като същевременно минимизират опорния обем, за да намалят трудността на последващото отстраняване и загубата на материал. Второ е настройката на стратегиите за пътя на сканиране, включително последователността и посоката на сканиране на границите на контура и сканиране на вътрешното запълване; тези параметри пряко влияят върху разпределението на остатъчното напрежение вътре в частта и нейните крайни механични свойства. Освен това софтуерът за нарязване трябва да зададе подходящи параметри за дебелината на слоя според типа оборудване. По-тънките слоеве обикновено дават по-висока точност на формоване и качество на повърхността, но значително удължават времето за печат, така че трябва да се намери баланс между изискванията за прецизност и ефективността на производството.

3D печатът от алуминиева сплав обикновено използва специфични прахове от алуминиева сплав като суровини. Тези прахове трябва да притежават добра течливост, равномерно разпределение на размера на частиците и други характеристики, за да осигурят гладко транспортиране и синтероване по време на процеса на печат.

Понастоящем видовете прах от алуминиева сплав, които се използват най-широко в промишлеността, включват основно AlSi10Mg, AlSi7Mg и някои високо{2}}системи от алуминиеви сплави (като серия Al-Cu и нови прахове от серия алуминиеви сплави Al-Sc-Zr). Сред тях AlSi10Mg, със своята добра цялостна производителност и зряла система от параметри на процеса, в момента е най-широко прилаганият клас. Предлага отлична способност за леене и стабилни механични свойства, което го прави много подходящ за отпечатване на тънкостенни и сложни структурни части. Обикновено се изисква сферичността на праха да надвишава 95%, а разпределението на размера на частиците обикновено се контролира в диапазона 15–53 μm; праховете, които са твърде груби или твърде фини, ще повлияят на равномерността на разпръскване на праха и качеството на формоване. В допълнение, праховете от алуминиева сплав лесно абсорбират влагата и притежават известна степен на запалимост. По време на съхранение и употреба влажността на околната среда трябва да се контролира стриктно и да се вземат съответните мерки за предотвратяване на- и пожар-. Това е точка от особено значение за управлението на безопасността при 3D отпечатване на алуминиева сплав в сравнение с отпечатването на други метали.

Разпръскване на прах: Устройството-за разпръскване на прах на печатащото оборудване разпръсква равномерно тънък слой прах от алуминиева сплав върху платформата за изграждане.

Лазерно синтероване: Компютърно{0}}управляван лазерен лъч селективно синтерира разпръснатия прахообразен слой според пътя, определен от данните за среза. Лазерната енергия бързо разтапя и втвърдява прахообразните частици в локалните региони, като по този начин изгражда три-измерното твърдо тяло, съответстващо на модела слой по слой.

Натрупване-по-слой: Стъпките на разпръскване на прах и лазерно синтероване се повтарят, като прахът от алуминиева сплав се синтерова заедно слой след слой, докато целият компонент бъде отпечатан.

В действителното производство етапът на формоване включва много детайли, които изискват прецизен контрол. Тъй като алуминиевите сплави имат относително висока лазерна отразяваща способност и топлопроводимост, прахът от алуминиева сплав е по-податлив на образуване на топки, порьозност и други дефекти по време на формоване, отколкото материали като титанови сплави или неръждаема стомана. Поради това производителите на оборудване обикновено трябва специално да оптимизират комбинации от параметри на процеса-лазерна мощност, скорост на сканиране, разстояние между люкове и т.н.-за алуминиеви сплави. Целият процес на формоване също трябва да се извърши в затворена камера, защитена от инертен газ като аргон, със стриктно контролирано съдържание на кислород на изключително ниско ниво (обикновено под 100 ppm), за да се предотврати окисляването или дори експлозията на силно реактивния алуминиев прах при висока температура. В допълнение, строителната платформа обикновено е умерено предварително загрята, за да се намалят остатъчните напрежения, причинени от прекомерни температурни градиенти вътре в детайла и да се намали вероятността от изкривяване и деформация по време на печат.

След завършване на отпечатването частта може да изисква определени операции за-постобработка, като премахване на остатъчния прах от повърхността, шлайфане, полиране и други обработки за подобряване на качеството и точността на повърхността. Топлинна обработка и други процеси също могат да бъдат приложени за допълнително подобряване на производителността на компонента от алуминиева сплав.

По-конкретно, последващата-обработка на 3D-отпечатани части от алуминиева сплав обикновено включва следните стъпки. Първо е отстраняването на праха и отстраняването на опората: остатъчният неразтопен прах във вътрешните канали и по повърхността трябва да се почисти старателно, а поддържащите структури, добавени по време на печат, трябва да бъдат премахнати. Тази стъпка е особено критична за части със сложни вътрешни кухини и често изисква специализирано оборудване като отстраняване на вибрационен прах и прочистване на въздушния поток. Второто е топлинна обработка, включително отгряване-за освобождаване на напрежението и обработка със стареене на разтвора. Отгряването-за освобождаване на напрежението се използва главно за елиминиране на остатъчните напрежения, генерирани по време на печат, и за предотвратяване на деформация или напукване по време на последваща употреба или машинна обработка. За класове като AlSi10Mg обработката със стареене в разтвора може допълнително да усъвършенства структурата на зърната и да подобри здравината и пластичността на материала, доближавайки механичните свойства до или дори надминавайки тези на традиционните части от-лета алуминиева сплав. В допълнение, за компоненти,-носещи критично натоварване, които изискват висока плътност, може да се извърши горещо изостатично пресоване (HIP); околната среда с висока-температура и високо-налягане елиминира микроскопичните порьозни дефекти вътре в частта и допълнително подобрява характеристиките на умора. И накрая, в съответствие със специфичните изисквания за приложение на частта, се прилага механична обработка, пясъкоструене, анодиране, покритие и други повърхностни обработки, за да се изпълнят изискванията за точност на размерите, качество на външния вид или специална функционалност (като устойчивост на износване, изолация или естетика).

При действителните решения за избор предприятията често трябва да претеглят 3D-отпечатаните алуминиеви сплави спрямо традиционните-процеси на леене под налягане. Традиционното леене под налягане има значително предимство в разходите при голям-обем на производство; единичната цена намалява бързо с увеличаване на обема. Това обаче изисква разработването на специални форми в ранен етап. Проектирането и производството на матрицата обикновено отнема няколко седмици или дори месеци и всяка промяна на дизайна често означава бракуване на матрицата и реинвестиране. За разлика от тях, 3D-отпечатаните алуминиеви сплави изобщо не изискват форми; след като проектният файл бъде потвърден, отпечатването може да започне директно. Той е особено подходящ за бърза проверка на прототип по време на разработка на нов продукт и за производство на малък{11}}обем, сложни или персонализирани части, които е трудно да се оформят в една стъпка чрез леене под налягане. В същото време 3D принтирането може да реализира сложни вътрешни канали за поток, решетка и кухи структури, които са трудни за постигане с леене под налягане, осигурявайки по-голямо дизайнерско пространство за олекотяване на продукта и функционална интеграция.

Възползвайки се от предимствата си в лекото тегло и свободата на дизайна, технологията за 3D-отпечатана алуминиева сплав вече е намерила практически приложения в множество области. В космическото пространство 3D печатът от алуминиева сплав се използва широко за производство на структурни части на UAV, сателитни скоби и други компоненти със строги изисквания за намаляване-на теглото. В автомобилостроенето сложните части за -канали на потока, като всмукателни колектори и корпуси на-водни ризи за състезателни и-автомобили с висока-производителност, се произвеждат все повече чрез интегриран 3D печат от алуминиева сплав, което съкращава циклите на разработка и позволява дизайни за-оптимизиране на каналите на потока, които традиционните процеси не могат да постигнат. В областта на електронното оборудване и управлението на топлината, добрата топлопроводимост на алуминиевите сплави, съчетана със сложните ребра за разсейване на топлината-и структурите на биомиметични -потоци-канали, които 3D печатът може да реализира, се прилага широко в производството на радиатори и парни камери за високо-ефективни електронни устройства. В допълнение, при производството на матрици, 3D печатът от алуминиева сплав се използва за производство на вложки за матрица с конформни охлаждащи канали, като ефективно съкращава времето за охлаждане при производството на леене под налягане или -леене под налягане и подобрява ефективността на производството.

Чрез тясната координация на дизайна на модела, обработката на данни, подготовката на материала, отпечатването/оформянето и последващата-обработка, 3D-отпечатаната технология за алуминиева сплав осигурява ефективен и гъвкав технически път за производство на леки части от алуминиева сплав със сложна-структура. В сравнение с традиционните-процеси на леене под налягане и машинна обработка, тази технология демонстрира уникални предимства в свободата на проектиране, цикъл на разработка и малки-партиди персонализирано производство. Въпреки че остават предизвикателства във високите-производствени разходи и контрол на някои детайли на процеса, с непрекъснатия спад в разходите за прахообразни материали от алуминиеви сплави и продължаващото подобряване на системите за параметри на процеса, се очаква 3D-отпечатаните алуминиеви сплави да постигнат по-обширни и по-задълбочени приложения в космическата промишленост, автомобилостроенето, електронното управление на топлината и много други области.