Tijek procesa 3D ispisa aluminijske legure

Aluminijske legure, zahvaljujući svojoj izvrsnoj specifičnoj čvrstoći, dobroj toplinskoj vodljivosti i izvanrednoj otpornosti na koroziju, dugo se naširoko koriste kao lagani materijali u zrakoplovstvu, automobilskoj industriji, elektroničkoj opremi i drugim područjima. Uz kontinuirano sazrijevanje tehnologije aditivne proizvodnje, 3D-ispisane aluminijske legure postaju važno komplementarno rješenje tradicionalnom tlačnom lijevanju, kovanju i CNC obradi-posebno prikladno za složene strukturne dijelove, male-serijski prilagođene komponente i dijelove prototipa koji zahtijevaju brzu iterativnu provjeru. Razumijevanje cjelokupnog tijeka procesa 3D-ispisanih aluminijskih legura pomaže poduzećima da bolje procijene primjenjivost ove tehnologije u vlastitom razvoju proizvoda.

Glavni proces 3D-ispisa aluminijskih legura je sljedeći:

Prvo, profesionalni softver za 3D modeliranje kao što je SolidWorks ili AutoCAD koristi se za precizno dizajniranje tro{1}}dimenzionalnog modela potrebne komponente od aluminijske legure. Ovaj model mora pažljivo razmotriti čimbenike kao što su oblik, dimenzije i unutarnja struktura dijela kako bi se osiguralo da konačni ispisani dio zadovoljava stvarne zahtjeve usluge.

U ovoj fazi dizajneri obično također u potpunosti iskorištavaju slobodu dizajna koju pruža aditivna proizvodnja i kombiniraju algoritme za optimizaciju topologije za izvođenje laganog konstrukcijskog dizajna na komponenti. Nepotrebni materijal se uklanja dok se mehanička izvedba održava, čime se dodatno smanjuje težina dijela i štedi vrijeme ispisa i troškovi materijala. Osim toga, faza projektiranja mora sveobuhvatno razmotriti izbor orijentacije gradnje, raspored potpornih struktura i dopuštenja rezervirana za naknadnu strojnu obradu. Orijentacija građenja ne samo da utječe na kvalitetu površine i točnost dimenzija, već također izravno određuje količinu potrebnog potpornog materijala i poteškoće površinske obrade nakon uklanjanja potpore. Za kritične dimenzije koje zahtijevaju pristajanje sklopa ili naknadnu strojnu obradu, dizajneri često rezerviraju dopuštenje za strojnu obradu od približno 0,2–0,5 mm tako da se konačne tolerancije mogu postići kroz završne operacije u fazi post-obrade.

Dovršeni-trodimenzionalni model uvozi se u softver za rezanje koji prati opremu za 3D ispis. Softver za rezanje izvodi sloj-po-obradu modela u skladu s radnim principima i zahtjevima parametara 3D pisača, generirajući niz dvo-podataka o rezovima. Ovi podaci definiraju put taloženja, debljinu i druge informacije za svaki sloj materijala od aluminijske legure.

Osim osnovnog slojevitosti, softver za rezanje u ovoj fazi preuzima nekoliko kritičnih zadataka. Prvo je automatsko generiranje i optimizacija potpornih struktura: za nadvišene ili strmo nagnute dijelove modela, softver inteligentno izračunava i dodaje potrebne potpore koje osiguravaju stabilnost tijekom ispisa dok minimaliziraju potporni volumen kako bi se smanjile poteškoće naknadnog uklanjanja i rasipanje materijala. Drugo je postavljanje strategija putanje skeniranja, uključujući redoslijed i smjer skeniranja granica konture i skeniranja unutarnje ispune; ti parametri izravno utječu na raspodjelu zaostalog naprezanja unutar dijela i njegova konačna mehanička svojstva. Osim toga, softver za rezanje mora postaviti odgovarajuće parametre debljine sloja prema vrsti opreme. Tanji slojevi općenito daju veću točnost oblikovanja i kvalitetu površine, ali značajno produljuju vrijeme ispisa, tako da se mora uspostaviti ravnoteža između zahtjeva za preciznošću i učinkovitosti proizvodnje.

3D ispis aluminijskih legura obično koristi specifične prahove aluminijskih legura kao sirovine. Ovi praškovi moraju imati dobru sipkost, jednoliku raspodjelu veličine čestica i druge karakteristike kako bi se osiguralo glatko prenošenje i sinteriranje tijekom procesa tiskanja.

Trenutačno, vrste praha aluminijskih legura koje se najčešće koriste u industriji uglavnom uključuju AlSi10Mg, AlSi7Mg i određene sustave aluminijskih legura visoke -čvrstoće (kao što je serija Al-Cu i nova serija prahova aluminijskih legura Al-Sc-Zr). Među njima, AlSi10Mg, sa svojim dobrim ukupnim performansama i zrelim sustavom parametara procesa, trenutno je najšire primjenjivana kvaliteta. Nudi izvrsnu sposobnost lijevanja i stabilna mehanička svojstva, što ga čini vrlo prikladnim za tiskanje tankih-stjenki i složenih strukturnih dijelova. Obično se zahtijeva da sferičnost praha premaši 95%, a raspodjela veličine čestica općenito se kontrolira unutar raspona od 15-53 μm; prah koji je pregrubi ili prefini utjecat će na jednolikost rasprostiranja praha i kvalitetu oblikovanja. Osim toga, prah aluminijske legure lako upija vlagu i posjeduje određeni stupanj zapaljivosti. Tijekom skladištenja i upotrebe, vlažnost okoline mora biti strogo kontrolirana i moraju se poduzeti odgovarajuće mjere za sprječavanje eksplozije- i požara-. Ovo je točka od posebne važnosti za upravljanje sigurnošću u 3D ispisu aluminijskih legura u usporedbi s ispisom drugih metala.

Raspršivanje praha: uređaj-za raspršivanje praha opreme za ispis ravnomjerno rasprostire tanak sloj praha aluminijske legure na građevnu platformu.

Lasersko sinteriranje: računalno-kontrolirana laserska zraka selektivno sinterira raspršeni sloj praha u skladu s putanjom određenom podacima o rezu. Energija lasera brzo topi i skrućuje čestice praha u lokalnim regijama, gradeći tako tro-dimenzionalno kruto tijelo koje odgovara modelu sloj po sloj.

Nakupljanje-po-sloja: Koraci rasprostiranja praha i laserskog sinteriranja se ponavljaju, sinterirajući prah aluminijske legure zajedno sloj za slojem dok se cijela komponenta ne ispiše.

U stvarnoj proizvodnji, faza oblikovanja uključuje mnoge detalje koji zahtijevaju preciznu kontrolu. Budući da aluminijske legure imaju relativno visoku lasersku refleksiju i toplinsku vodljivost, prah aluminijske legure skloniji je formiranju kuglica, poroznosti i drugim nedostacima tijekom oblikovanja nego materijali kao što su legure titana ili nehrđajući čelik. Proizvođači opreme stoga obično moraju posebno optimizirati kombinacije procesnih parametara-snage lasera, brzine skeniranja, razmaka otvora itd.-za aluminijske legure. Cijeli proces oblikovanja također se mora provesti unutar zatvorene komore zaštićene inertnim plinom kao što je argon, sa strogo kontroliranim sadržajem kisika na iznimno niskoj razini (obično ispod 100 ppm) kako bi se spriječilo oksidiranje ili čak eksplozija visoko reaktivnog aluminijskog praha na visokoj temperaturi. Osim toga, platforma za izradu obično je umjereno prethodno zagrijana kako bi se smanjila zaostala naprezanja uzrokovana prekomjernim temperaturnim gradijentima unutar dijela i smanjila vjerojatnost savijanja i deformacije tijekom ispisa.

Nakon završetka ispisa, dio može zahtijevati određene naknadne-operacije obrade, kao što je uklanjanje zaostalog praha s površine, brušenje, poliranje i drugi tretmani za poboljšanje kvalitete i točnosti površine. Toplinska obrada i drugi postupci također se mogu primijeniti kako bi se dodatno poboljšala izvedba komponente aluminijske legure.

Konkretno, naknadna-obrada 3D-ispisanih dijelova od aluminijske legure obično uključuje sljedeće korake. Prvo je uklanjanje praha i uklanjanje potpore: zaostali neotopljeni prah unutar unutarnjih kanala i na površini moraju se temeljito očistiti, a potporne strukture dodane tijekom ispisa moraju se ukloniti. Ovaj korak je posebno kritičan za dijelove sa složenim unutarnjim šupljinama i često zahtijeva specijaliziranu opremu kao što je uklanjanje vibracijskog praha i pročišćavanje protoka zraka. Drugi je toplinska obrada, uključujući-žarenje za ublažavanje naprezanja i tretman starenjem otopine. Žarenje-za ublažavanje naprezanja uglavnom se koristi za uklanjanje zaostalih naprezanja nastalih tijekom tiskanja i za sprječavanje deformacija ili pucanja tijekom naknadne upotrebe ili strojne obrade. Za vrste kao što je AlSi10Mg, tretman starenjem u otopini može dodatno pročistiti strukturu zrna i poboljšati čvrstoću i rastezljivost materijala, čime se mehanička svojstva približavaju ili čak nadmašuju ona tradicionalnih-lijevanih dijelova od aluminijske legure. Osim toga, za komponente koje-nose kritično opterećenje koje zahtijevaju visoku gustoću, može se izvesti vruće izostatičko prešanje (HIP); okolina visoke-temperature i visokog{15}}tlaka eliminira mikroskopske nedostatke poroznosti unutar dijela i dodatno poboljšava performanse zamora. Naposljetku, prema posebnim zahtjevima primjene dijela, primjenjuju se mehanička obrada, pjeskarenje, eloksiranje, premazivanje i drugi površinski tretmani kako bi se ispunili zahtjevi za točnost dimenzija, kvalitetu izgleda ili posebnu funkcionalnost (kao što je otpornost na habanje, izolacija ili estetika).

U stvarnim odlukama o odabiru, poduzeća često moraju odvagnuti 3D-ispisane aluminijske legure u odnosu na tradicionalne-postupke lijevanja pod pritiskom. Tradicionalno tlačno lijevanje ima značajnu troškovnu prednost u -velikoj proizvodnji; jedinični trošak brzo opada kako se volumen povećava. Međutim, zahtijeva razvoj namjenskih kalupa u ranoj fazi. Dizajn kalupa i proizvodnja obično traju nekoliko tjedana ili čak mjeseci, a svaka promjena dizajna često znači odbacivanje kalupa i ponovno ulaganje. Nasuprot tome, 3D-tiskane aluminijske legure uopće ne zahtijevaju kalupe; kada je datoteka dizajna potvrđena, ispis može započeti izravno. Posebno je prikladan za brzu provjeru prototipa tijekom razvoja novih proizvoda i za proizvodnju malih-količina, složenih ili prilagođenih dijelova koje je teško oblikovati u jednom koraku lijevanjem pod pritiskom. U isto vrijeme, 3D ispis može realizirati složene unutarnje kanale protoka, rešetke i šuplje strukture koje je teško postići lijevanjem pod pritiskom, pružajući veći prostor za dizajn za smanjenje težine proizvoda i funkcionalnu integraciju.

Iskorištavajući svoje prednosti u laganoj težini i slobodi dizajna, 3D-ispisana tehnologija aluminijske legure već je pronašla praktičnu primjenu u više područja. U zrakoplovstvu se 3D ispis od aluminijskih legura naširoko koristi za proizvodnju strukturnih dijelova UAV-a, nosača satelita i drugih komponenti sa strogim zahtjevima za-smanjenje težine. U proizvodnji automobila, složeni dijelovi-kanala protoka kao što su usisne grane i kućišta-vodenog omotača za trkaća i-vozila visokih performansi sve se više proizvode integriranim 3D ispisom od aluminijske legure, što skraćuje razvojne cikluse i omogućuje dizajn-optimizacije kanala protoka koji tradicionalni procesi ne mogu postići. U područjima elektroničke opreme i upravljanja toplinom, dobra toplinska vodljivost aluminijskih legura u kombinaciji sa složenim rebrima-za raspršivanje topline i biomimetičkim protokom-struktura kanala koje 3D ispis može realizirati naširoko se primjenjuje u proizvodnji hladnjaka i parnih komora za elektroničke-uređaje visokih performansi. Osim toga, u proizvodnji kalupa, 3D ispis aluminijskih legura koristi se za proizvodnju kalupnih umetaka s konformnim kanalima za hlađenje, čime se učinkovito skraćuju vremena hlađenja u proizvodnji injekcijskog prešanja ili-lijevanja pod pritiskom i poboljšava učinkovitost proizvodnje.

Kroz blisku koordinaciju dizajna modela, obrade podataka, pripreme materijala, ispisa/formiranja i naknadne-obrade, 3D-ispisana tehnologija aluminijske legure pruža učinkovit i fleksibilan tehnički put za proizvodnju laganih, složenih-strukturnih dijelova od aluminijske legure. U usporedbi s tradicionalnim-lijevanjem pod pritiskom i procesima strojne obrade, ova tehnologija pokazuje jedinstvene prednosti u slobodi dizajna, razvojnom ciklusu i malo-serijski prilagođenoj proizvodnji. Iako i dalje postoje izazovi u visokim-količinskim troškovima proizvodnje i određenim kontrolama detalja procesa, uz kontinuirani pad troškova materijala za prah aluminijske legure i stalno poboljšanje sustava parametara procesa, očekuje se da će 3D-ispisane aluminijske legure postići opsežnije i dublje primjene u zrakoplovstvu, proizvodnji automobila, elektroničkom upravljanju toplinom i mnogim drugim poljima.