Proces 3D tlače z hliníkovej zliatiny

Zliatiny hliníka sa vďaka svojej vynikajúcej špecifickej pevnosti, dobrej tepelnej vodivosti a vynikajúcej odolnosti proti korózii už dlho používajú ako ľahké materiály v leteckom a kozmickom priemysle, vo výrobe automobilov, v elektronických zariadeniach a iných oblastiach. Vďaka neustálemu dozrievaniu technológie aditívnej výroby sa 3D-tlačené hliníkové zliatiny stávajú dôležitým doplnkovým riešením k tradičnému tlakovému odlievaniu, kovaniu a CNC obrábaniu-zvlášť vhodným pre zložité konštrukčné diely, malé-súčiastky prispôsobené na mieru a prototypové diely, ktoré si vyžadujú rýchle opakované overenie. Pochopenie úplného toku procesu 3D-tlačených hliníkových zliatin pomáha podnikom lepšie vyhodnotiť použiteľnosť tejto technológie pri vývoji ich vlastných produktov.

Hlavný proces 3D-tlače hliníkových zliatin je nasledujúci:

Po prvé, na presný návrh trojrozmerného modelu požadovaného komponentu z hliníkovej zliatiny sa používa profesionálny softvér na 3D modelovanie, ako je SolidWorks alebo AutoCAD. Tento model musí starostlivo zvážiť faktory, ako je tvar dielu, rozmery a vnútorná štruktúra, aby sa zabezpečilo, že konečný vytlačený diel bude spĺňať skutočné servisné požiadavky.

V tejto fáze dizajnéri zvyčajne plne využívajú konštrukčnú voľnosť poskytovanú aditívnou výrobou a kombinujú algoritmy optimalizácie topológie na vykonanie ľahkého konštrukčného návrhu na komponente. Nepotrebný materiál sa odstraňuje pri zachovaní mechanického výkonu, čím sa ďalej znižuje hmotnosť dielov a šetrí sa čas tlače a náklady na materiál. Okrem toho musí fáza návrhu komplexne zvážiť výber orientácie stavby, rozmiestnenie nosných konštrukcií a rezervy vyhradené pre následné obrábanie. Orientácia konštrukcie ovplyvňuje nielen kvalitu povrchu a rozmerovú presnosť, ale priamo určuje aj množstvo potrebného nosného materiálu a náročnosť povrchovej úpravy po odstránení podpery. Pre kritické rozmery, ktoré si vyžadujú montáž v zostave alebo následné opracovanie, si konštruktéri často vyhradzujú prídavok na obrábanie približne 0,2 – 0,5 mm, aby bolo možné dosiahnuť konečné tolerancie pomocou dokončovacích operácií vo fáze post-spracovania.

Dokončený trojrozmerný model sa importuje do softvéru na rezanie, ktorý je súčasťou zariadenia na 3D tlač. Softvér na rezanie vykonáva po vrstvách{3}}po{4}}spracovanie modelu podľa pracovných princípov a požiadaviek na parametre 3D tlačiarne, pričom generuje sériu údajov dvojrozmerných rezov. Tieto údaje definujú dráhu nanášania, hrúbku a ďalšie informácie pre každú vrstvu materiálu z hliníkovej zliatiny.

Okrem základného vrstvenia vykonáva softvér na krájanie v tejto fáze niekoľko kritických úloh. Prvým je automatické generovanie a optimalizácia nosných konštrukcií: pri previsnutých alebo prudko naklonených častiach modelu softvér inteligentne vypočíta a pridá potrebné podpery, ktoré zaistia stabilitu počas tlače a zároveň minimalizujú objem podpery, aby sa znížila náročnosť následného odstraňovania a plytvania materiálom. Druhým je nastavenie stratégií dráhy skenovania, vrátane sekvencie a smeru skenovania hraníc obrysu a skenovania vnútornej výplne; tieto parametre priamo ovplyvňujú rozloženie zvyškového napätia vo vnútri dielu a jeho konečné mechanické vlastnosti. Okrem toho musí softvér na rezanie nastaviť vhodné parametre hrúbky vrstvy podľa typu zariadenia. Tenšie vrstvy vo všeobecnosti poskytujú vyššiu presnosť tvarovania a kvalitu povrchu, ale výrazne predlžujú čas tlače, takže je potrebné nájsť rovnováhu medzi požiadavkami na presnosť a efektívnosťou výroby.

3D tlač z hliníkovej zliatiny zvyčajne používa ako suroviny špecifické prášky z hliníkovej zliatiny. Tieto prášky musia mať dobrú tekutosť, rovnomernú distribúciu veľkosti častíc a ďalšie charakteristiky, aby sa zabezpečila hladká doprava a spekanie počas procesu tlače.

V súčasnosti medzi najpoužívanejšie druhy práškových zliatin hliníka v priemysle patria najmä AlSi10Mg, AlSi7Mg a niektoré systémy z vysokopevnostných hliníkových zliatin (ako napríklad séria Al-Cu a nové prášky hliníkových zliatin série Al-Sc{5}}Zr). Spomedzi nich je AlSi10Mg so svojím dobrým celkovým výkonom a vyspelým systémom procesných parametrov v súčasnosti najrozšírenejším typom. Ponúka vynikajúcu zlievateľnosť a stabilné mechanické vlastnosti, vďaka čomu je veľmi vhodný na tlač tenkostenných a zložitých konštrukčných dielov. Zvyčajne sa vyžaduje, aby sférickosť prášku prekročila 95 % a distribúcia veľkosti častíc sa všeobecne riadi v rozsahu 15–53 μm; prášky, ktoré sú príliš hrubé alebo príliš jemné, ovplyvnia rovnomernosť roztierania prášku a kvalitu tvarovania. Okrem toho prášky hliníkových zliatin ľahko absorbujú vlhkosť a majú určitý stupeň horľavosti. Počas skladovania a používania sa musí prísne kontrolovať okolitá vlhkosť a musia sa prijať príslušné opatrenia na prevenciu- výbuchu a požiaru{17}}. Toto je bod mimoriadne dôležitý pre riadenie bezpečnosti pri 3D tlači z hliníkovej zliatiny v porovnaní s tlačou iných kovov.

Nanášanie prášku: Zariadenie na{0}}nanášanie prášku tlačového zariadenia rovnomerne nanáša tenkú vrstvu prášku z hliníkovej zliatiny na základňu.

Laserové spekanie: Počítačom-riadený laserový lúč selektívne speká vrstvu naneseného prášku podľa dráhy určenej údajmi rezu. Energia lasera rýchlo topí a tuhne častice prášku v miestnych oblastiach, čím sa vytvára trojrozmerná tuhá látka zodpovedajúca modelu vrstvu po vrstve.

Hromadenie vrstvy-po{1}}vrstve: Kroky nanášania prášku a laserového spekania sa opakujú, pričom sa prášok hliníkovej zliatiny speká vrstva po vrstve, až kým sa nevytlačí celý komponent.

V skutočnej výrobe zahŕňa fáza tvarovania veľa detailov, ktoré si vyžadujú presnú kontrolu. Pretože hliníkové zliatiny majú relatívne vysokú laserovú odrazivosť a tepelnú vodivosť, prášok hliníkovej zliatiny je náchylnejší na zhlukovanie, pórovitosť a iné defekty počas tvarovania ako materiály, ako sú zliatiny titánu alebo nehrdzavejúca oceľ. Výrobcovia zariadení preto zvyčajne potrebujú špeciálne optimalizovať kombinácie procesných parametrov-výkon lasera, rýchlosť skenovania, rozstup šrafovania atď. – pre hliníkové zliatiny. Celý proces tvarovania musí prebiehať aj vo vnútri utesnenej komory chránenej inertným plynom, ako je argón, s prísne kontrolovaným obsahom kyslíka na extrémne nízkej úrovni (zvyčajne pod 100 ppm), aby sa zabránilo oxidácii alebo dokonca explózii vysoko reaktívneho hliníkového prášku pri vysokej teplote. Okrem toho je konštrukčná platforma zvyčajne mierne predhriata, aby sa znížilo zvyškové napätie spôsobené nadmernými teplotnými gradientmi vo vnútri dielu a aby sa znížila pravdepodobnosť deformácie a deformácie počas tlače.

Po dokončení tlače môže súčiastka vyžadovať určité operácie po{0}}spracovaní, ako je odstránenie zvyškov prášku z povrchu, brúsenie, leštenie a iné úpravy na zlepšenie kvality a presnosti povrchu. Tepelné spracovanie a iné procesy môžu byť tiež použité na ďalšie zvýšenie výkonu zložky z hliníkovej zliatiny.

Konkrétne následné{0}}spracovanie 3D{2}}vytlačených dielov z hliníkovej zliatiny zvyčajne zahŕňa nasledujúce kroky. Prvým je odstránenie prášku a odstránenie podpory: zvyškový neroztopený prášok vo vnútorných kanáloch a na povrchu sa musí dôkladne vyčistiť a podporné štruktúry pridané počas tlače musia byť odstránené. Tento krok je obzvlášť dôležitý pre diely so zložitými vnútornými dutinami a často si vyžaduje špecializované vybavenie, ako je vibračné odstraňovanie prášku a čistenie prúdením vzduchu. Druhým je tepelné spracovanie vrátane žíhania-na zmiernenie stresu a spracovania starnutia v roztoku. Žíhanie-na odstránenie napätia sa používa hlavne na odstránenie zvyškových napätí vznikajúcich počas tlače a na zabránenie deformácii alebo praskaniu počas následného používania alebo obrábania. V prípade akostí, ako je AlSi10Mg, môže úprava starnutím v roztoku ešte viac zjemniť štruktúru zŕn a zlepšiť pevnosť a ťažnosť materiálu, čím sa mechanické vlastnosti priblížia alebo dokonca predčia vlastnostiam tradičných dielov zo zliatin hliníka odlievaných pod tlakom. Okrem toho pre komponenty nesúce kritickú záťaž-, ktoré vyžadujú vysokú hustotu, možno vykonať izostatické lisovanie za tepla (HIP); prostredie vysokej-teploty a vysokého{15}}tlaku eliminuje mikroskopické defekty pórovitosti vo vnútri dielu a ďalej zlepšuje výkon pri únave. Nakoniec sa podľa špecifických aplikačných požiadaviek dielu aplikuje mechanické opracovanie, pieskovanie, eloxovanie, nátery a iné povrchové úpravy, aby sa splnili požiadavky na rozmerovú presnosť, kvalitu vzhľadu alebo špeciálnu funkčnosť (ako je odolnosť proti opotrebeniu, izolácia alebo estetika).

Pri skutočných rozhodnutiach o výbere podniky často potrebujú zvážiť 3D-vytlačené hliníkové zliatiny s tradičnými procesmi-odlievania. Tradičné tlakové liatie má významnú nákladovú výhodu pri-výrobe veľkého objemu; jednotkové náklady rýchlo klesajú so zvyšujúcim sa objemom. Vyžaduje si to však vývoj špeciálnych foriem v počiatočnom štádiu. Návrh a výroba formy zvyčajne trvá niekoľko týždňov alebo dokonca mesiacov a akákoľvek zmena dizajnu často znamená zošrotovanie formy a opätovné investovanie. Naproti tomu 3D-tlačené hliníkové zliatiny nevyžadujú žiadne formy; po potvrdení súboru s dizajnom môže tlač začať priamo. Je obzvlášť vhodný na rýchle overenie prototypov počas vývoja nového produktu a na výrobu maloobjemových, zložitých alebo prispôsobených dielov, ktoré sa ťažko formujú v jednom kroku tlakovým liatím. 3D tlač zároveň dokáže realizovať zložité vnútorné prietokové kanály, mriežky a duté štruktúry, ktoré je ťažké dosiahnuť tlakovým liatím, čo poskytuje väčší priestor na dizajn pre odľahčenie produktu a funkčnú integráciu.

Technológia 3D-tlače hliníkovej zliatiny, ktorá využíva svoje výhody v oblasti odľahčenia a slobody dizajnu, už našla praktické uplatnenie vo viacerých oblastiach. V leteckom a kozmickom priemysle sa 3D tlač z hliníkovej zliatiny široko používa na výrobu konštrukčných dielov UAV, držiakov satelitov a iných komponentov s prísnymi požiadavkami-na zníženie hmotnosti. V automobilovej výrobe sa komplexné časti prietokových-kanálov, ako sú sacie potrubia a kryty vodných-búnd pre pretekárske a{8}}vysokovýkonné vozidlá, čoraz častejšie vyrábajú pomocou integrovanej 3D tlače z hliníkovej zliatiny, ktorá skracuje vývojové cykly a umožňuje{10}}návrhy optimalizácie prietokových{10}kanálov, ktoré tradičné procesy nedokážu dosiahnuť. V oblasti elektronických zariadení a tepelného manažmentu sa pri výrobe chladičov a parných komôr pre vysokovýkonné elektronické zariadenia široko používa dobrá tepelná vodivosť hliníkových zliatin kombinovaná so zložitými rebrami na odvádzanie tepla a biomimetickými{13}kanálmi{13} toku, ktoré dokáže 3D tlač realizovať. Okrem toho sa pri výrobe foriem používa 3D tlač z hliníkovej zliatiny na výrobu vložiek do foriem s konformnými chladiacimi kanálmi, čím sa účinne skracuje čas chladenia pri výrobe vstrekovaním alebo odlievaním{18}}a zvyšuje sa efektivita výroby.

Prostredníctvom úzkej koordinácie návrhu modelu, spracovania údajov, prípravy materiálu, tlače/tvarovania a následného{0}}spracovania poskytuje technológia 3D-tlače hliníkovej zliatiny efektívny a flexibilný technický spôsob výroby ľahkých a zložitých dielov z hliníkovej zliatiny-. V porovnaní s tradičnými{5}}procesmi tlakového odlievania a obrábania táto technológia demonštruje jedinečné výhody v oblasti slobody dizajnu, vývojového cyklu a malosériovej prispôsobenej výroby. Hoci výzvy zostávajú v nákladoch na výrobu veľkých-objemov a určitých procesných detailných kontrolách, s neustálym poklesom nákladov na práškový materiál z hliníkovej zliatiny a neustálym zlepšovaním systémov procesných parametrov sa očakáva, že hliníkové zliatiny vytlačené 3D{10}}dosiahnu rozsiahlejšie a hlbšie aplikácie v leteckom a kozmickom priemysle, automobilovej výrobe, elektronickom tepelnom manažmente a v mnohých ďalších oblastiach.