Com la impressió 3D d'aliatges d'alumini està redefinint peces aeroespacials lleugeres

Els enginyers aeroespacials, drones no tripulats i satèl·lits continuen tocant el mateix límit dur: la peça s'ha d'alleugerir sense deixar-se més feble. El treball CNC convencional comença amb una palangana sòlida, n'elimina la major part com a ferralla i encara no pot crear la geometria interna que realment tallaria massa. Els terminis de lliurament s'estén, els costos del material augmenten i el disseny es manté limitat pel que pot arribar a un tallador.Impressió 3D d'aliatges d'aluminicanvia aquesta equació. En dipositar material només on es necessita, el procés obre una llibertat de disseny que els mètodes subtractius simplement no permeten.

La massa segueix sent el motor de rendiment dominant. Les dades públiques de la NASA i dels principals constructors d'avions mostren que cada quilogram eliminat d'una cèl·lula pot reduir la consumició de combustible durant tota la vida en una quantitat mesurable i alliberar la càrrega útil o l'abast. En els UAV elèctrics i els satèl·lits petits, l'efecte és més immediat-la massa més baixa amplia directament la resistència o permet sensors addicionals.

El mecanitzat tradicional produeix sovint relacions de compra-a-eleves. Un suport complex pot començar com una gran palanca i acabar amb una fracció d'aquest pes. La fabricació additiva inverteix la relació perquè la pols no utilitzada és en gran part recuperable. Es compra menys material, es descarta menys i la geometria ja no està limitada per l'accés a l'eina.

Els aliatges d'alumini segueixen sent pràctics per a molts components metàl·lics impresos en 3D perquè combinen baixa densitat amb força útil, resistència a la corrosió i soldabilitat. Quan es processa mitjançant làser en pols-, AlSi10Mg produeix peces denses que responen bé al tractament tèrmic.

AlSi10Mg és l'opció més habitual per al treball de servei d'impressió 3D d'aliatge d'alumini. Després del tractament de la solució i l'envelliment, ofereix propietats de tracció competitives amb molts graus de fosa alhora que manté l'avantatge de pes d'un procés de forma propera-net-. Les mateixes màquines que imprimeixen alumini poden canviar a aliatges de titani quan es requereix una resistència absoluta o una resistència a la temperatura més alta, donant opcions als enginyers dins d'una única fàbrica d'impressió 3D de metall.

El que més importa als dissenyadors és la proporció efectiva de resistència{0}}a-pes un cop aplicada la topologia i les estructures internes. El material en si és només una part de la història; la possibilitat de col·locar-lo només al llarg dels camins de càrrega fa la resta.

Tres enfocaments ofereixen constantment les reduccions de massa més grans:

L'optimització de la topologia redistribueix el material al llarg dels camins d'esforç primari i elimina tota la resta. Les formes resultants semblen orgàniques, però porten les càrregues necessàries amb un pes inferior. La majoria dels equips aeroespacials tracten ara la impressió 3D d'optimització de topologia com un pas de disseny inicial estàndard en lloc d'una opció experimental.

Les estructures de gelosia i bresca substitueixen les parets sòlides amb patrons interns controlats. La rigidesa es pot ajustar mentre la massa baixa. Les aplicacions aeroespacials d'impressió 3D d'estructura de gelosia apareixen en suports, carcasses i intercanviadors de calor on tant el rendiment estructural com el tèrmic són importants.

La consolidació de peces converteix conjunts de diverses-peces en components impresos únics. Desapareixen els elements de subjecció, els segells i les operacions secundàries, juntament amb el seu pes i els possibles punts de fallada. El temps de muntatge i l'inventari es redueixen al mateix temps.

En conjunt, aquests mètodes produeixen regularment un estalvi de pes del 20 al 40% en comparació amb els dissenys mecanitzats originals, tot i que la xifra exacta sempre depèn de les limitacions inicials.

Una peça d'alumini ben-imprès i-tratada tèrmicament rarament s'acaba. Els entorns aeroespacials encara exigeixen una millor resistència al desgast, conductivitat elèctrica, protecció contra la corrosió o rendiment contra la fatiga del que pot proporcionar la-superfície tal com està construïda. El revestiment de metall per a peces impreses en 3D soluciona aquests buits.

El postprocessament típic comença amb l'alleujament de l'estrès i l'envelliment, seguit del mecanitzat CNC d'interfícies crítiques i cares de segellat. Després d'això, vénen els recobriments d'anodització, de conversió química, níquel sense electros o altres acabats de grau aeroespacial-. La seqüència exacta es basa en l'entorn operatiu i els requisits de certificació.

Un recobriment aplicat correctament tanca la porositat superficial residual, augmenta la duresa de la superfície i crea una barrera contra la humitat i els mitjans corrosius. La vida a la fatiga sovint millora notablement en comparació amb les superfícies no tractades, per la qual cosa molts vol-críticscomponents metàl·lics impresos en 3Dencara reben xapat després del mecanitzat.

Un fabricant d'UAV va portar a Sunhingstones un suport estructural que ja s'havia optimitzat per a CNC, però que encara va perdre l'objectiu de massa sota càrregues de vibració. L'equip va aplicar l'optimització de la topologia i les gelosies internes i després va imprimir la peça en AlSi10Mg. Després del tractament tèrmic, el mecanitzat de la interfície i el revestiment de protecció, el component acabat va ser un 27% més lleuger i complia tots els requisits estructurals i ambientals. El temps des de la congelació del disseny fins al maquinari-preparat per al primer vol s'ha reduït aproximadament un 40 % en comparació amb la ruta anterior de diverses-peces. Més tard, el mateix fabricant d'impressió 3D de metall va donar suport a la producció de baix-volum, demostrant que el procés pot passar del prototip al maquinari certificat quan hi ha controls de traçabilitat del material i de procés.

Els grups comercials centrats en l'acabat de superfícies i la fabricació aeroespacial, incloses les discussions sota el paraigua de l'ESTA, han observat que els processos d'additius estan passant dels programes experimentals a l'ús de producció. La combinació de peces d'alumini-optimitzades per la topologia i el post-processament adequat, inclòs el revestiment, es cita repetidament com una ruta pràctica cap a un maquinari de vol més lleuger. Aquest reconeixement reflecteix una confiança creixent en la tecnologia quan els sistemes de qualitat s'apliquen correctament.

El preu només és un filtre deficient. Els criteris útils inclouen:

AS9100 o certificació de qualitat aeroespacial equivalent

Traçabilitat total de materials i pols

Capacitat de post{0}}processament controlat (tractament tèrmic, mecanitzat, xapat)

Experiència contrastada amb el maquinari de vol o vol-com

Disseny clar-per a-orientació additiva i una execució raonable del prototip

Capacitat de passar del prototip a la producció petita-a-mitjana, inclòs el subministrament a l'engròs quan els volums augmenten

És més probable que una fàbrica d'impressió 3D de metall que pugui discutir aquests punts amb exemples concrets ofereixi peces que compleixin les necessitats d'enginyeria i de programació.

Si esteu pesant la impressió 3D metàl·lica amb un component aeroespacial lleuger actual, el següent pas pràctic és compartir els requisits de geometria i rendiment amb un fabricant qualificat. Una breu revisió del disseny sol revelar si l'optimització de la topologia, les estructures de gelosia o la consolidació de peces oferiran guanys de pes i programació útils per a aquesta peça específica.