Flux de procés d'impressió 3D d'aliatge d'alumini

Els aliatges d'alumini, gràcies a la seva excel·lent resistència específica, bona conductivitat tèrmica i excel·lent resistència a la corrosió, s'han utilitzat durant molt de temps com a materials lleugers en aeroespacial, fabricació d'automòbils, equips electrònics i altres camps. Amb la maduració contínua de la tecnologia de fabricació additiva, els aliatges d'alumini impresos en 3D-s'estan convertint en una solució complementària important per a la fosa a pressió, la forja i el mecanitzat CNC tradicionals-especialment adequada per a peces estructurals complexes, components personalitzats-per lots petits i peces prototip que requereixen una ràpida verificació iterativa. Entendre el flux complet del procés dels aliatges d'alumini impresos en 3D-ajuda les empreses a avaluar millor l'aplicabilitat d'aquesta tecnologia en el desenvolupament del seu propi producte.

El procés principal dels aliatges d'alumini-impresos en 3D és el següent:

En primer lloc, s'utilitza programari de modelatge 3D professional com SolidWorks o AutoCAD per dissenyar amb precisió el model tridimensional del component d'aliatge d'alumini necessari. Aquest model ha de considerar acuradament factors com ara la forma, les dimensions i l'estructura interna de la peça per garantir que la peça impresa final compleixi els requisits reals del servei.

En aquesta etapa, els dissenyadors normalment també aprofiten plenament la llibertat de disseny que ofereix la fabricació additiva i combinen algorismes d'optimització de topologia per realitzar un disseny estructural lleuger al component. El material innecessari s'elimina mentre es manté el rendiment mecànic, reduint així encara més el pes de la peça i estalviant temps d'impressió i costos de material. A més, l'etapa de disseny ha de considerar exhaustivament l'elecció de l'orientació de la construcció, la disposició de les estructures de suport i els marges reservats per al mecanitzat posterior. L'orientació de la construcció no només afecta la qualitat de la superfície i la precisió dimensional, sinó que també determina directament la quantitat de material de suport requerit i la dificultat del tractament de la superfície després de l'eliminació del suport. Per a dimensions crítiques que requereixen un ajustament de muntatge o mecanitzat posterior, els dissenyadors solen reservar un marge de mecanitzat d'aproximadament 0,2-0,5 mm perquè les toleràncies finals es puguin aconseguir mitjançant les operacions d'acabat en l'etapa de post-processament.

El model tridimensional completat-s'importa al programari de tall que acompanya l'equip d'impressió 3D. El programari de tall realitza un processament-per-capa del model d'acord amb els principis de funcionament i els requisits dels paràmetres de la impressora 3D, generant una sèrie de dades de talls bi-dimensionals. Aquestes dades defineixen el camí de deposició, el gruix i altra informació per a cada capa de material d'aliatge d'alumini.

Més enllà de la capa bàsica, el programari de tall realitza diverses tasques crítiques en aquesta etapa. En primer lloc, la generació i optimització automàtica d'estructures de suport: per a les seccions del model sobrevolant o molt inclinades, el programari calcula de manera intel·ligent i afegeix els suports necessaris que asseguren l'estabilitat durant la impressió alhora que minimitzen el volum de suport per reduir la dificultat de la posterior retirada i els residus de material. En segon lloc, la configuració de les estratègies de recorregut d'escaneig, inclosa la seqüència i la direcció de l'exploració del límit del contorn i l'exploració d'ompliment intern; aquests paràmetres influeixen directament en la distribució de tensions residuals a l'interior de la peça i en les seves propietats mecàniques finals. A més, el programari de tall ha d'establir paràmetres de gruix de capa adequats segons el tipus d'equip. Les capes més fines generalment donen una major precisió de conformació i qualitat de superfície, però allargan significativament el temps d'impressió, de manera que s'ha d'aconseguir un equilibri entre els requisits de precisió i l'eficiència de producció.

La impressió 3D d'aliatge d'alumini normalment utilitza com a matèries primeres pols específiques d'aliatge d'alumini. Aquestes pols han de tenir una bona fluïdesa, una distribució uniforme de la mida de partícules i altres característiques per garantir un transport i sinterització suaus durant el procés d'impressió.

Actualment, els graus de pols d'aliatge d'alumini més utilitzats a la indústria inclouen principalment AlSi10Mg, AlSi7Mg i certs sistemes d'aliatge d'alumini d'alta resistència (com la sèrie Al-Cu i les noves pols d'aliatge d'alumini de la sèrie Al{{-Sc{-Zr). Entre ells, AlSi10Mg, amb el seu bon rendiment global i el seu sistema de paràmetres de procés madur, és actualment el grau més aplicat. Ofereix una excel·lent colabilitat i propietats mecàniques estables, la qual cosa el fa molt adequat per a la impressió de-parets fines i peces estructurals complexes. Normalment es requereix que l'esfericitat de la pols superi el 95%, i la distribució de la mida de les partícules es controla generalment dins del rang de 15-53 μm; les pols que siguin massa gruixudes o massa fines afectaran la uniformitat de la dispersió de la pols i la qualitat de formació. A més, les pols d'aliatge d'alumini absorbeixen fàcilment la humitat i tenen un cert grau d'inflamabilitat. Durant l'emmagatzematge i l'ús, la humitat ambiental s'ha de controlar estrictament i s'han de prendre les mesures de prevenció d'explosió- i incendi-pertinents. Aquest és un punt d'especial importància per a la gestió de la seguretat en la impressió 3D d'aliatge d'alumini en comparació amb la impressió d'altres metalls.

Estensió de pols: el dispositiu{0}}de pols de l'equip d'impressió distribueix uniformement una fina capa de pols d'aliatge d'alumini a la plataforma de construcció.

Sinterització làser: un raig làser controlat per ordinador-sinteritza selectivament la capa de pols estesa segons el camí determinat per les dades del tall. L'energia del làser es fon i solidifica ràpidament les partícules de pols a les regions locals, construint així el sòlid tridimensional corresponent al model capa per capa.

Acumulació-per-capa: es repeteixen els passos d'estendre la pols i la sinterització làser, sinteritzant la pols d'aliatge d'alumini capa rere capa fins que s'imprimeix tot el component.

En la producció real, l'etapa de conformació implica molts detalls que requereixen un control precís. Com que els aliatges d'alumini tenen una reflectivitat làser i una conductivitat tèrmica relativament altes, la pols d'aliatge d'alumini és més propensa a patir bola, porositat i altres defectes durant la formació que materials com ara aliatges de titani o acer inoxidable. Per tant, els fabricants d'equips solen optimitzar especialment les combinacions de paràmetres de procés-potència del làser, velocitat d'escaneig, espai entre escotilla, etc., per als aliatges d'alumini. Tot el procés de conformació també s'ha de dur a terme dins d'una cambra segellada protegida per un gas inert com l'argó, amb un contingut d'oxigen estrictament controlat a un nivell extremadament baix (normalment per sota de 100 ppm) per evitar que la pols d'alumini altament reactiva s'oxidi o fins i tot exploti a alta temperatura. A més, la plataforma de construcció s'acostuma a escalfar moderadament per reduir les tensions residuals causades per gradients de temperatura excessius a l'interior de la peça i per reduir la probabilitat de deformació i deformació durant la impressió.

Un cop finalitzada la impressió, la peça pot requerir determinades operacions de post{0}}processament, com ara eliminar la pols residual de la superfície, esmolar, polir i altres tractaments per millorar la qualitat i la precisió de la superfície. També es poden aplicar tractaments tèrmics i altres processos per millorar encara més el rendiment del component d'aliatge d'alumini.

Concretament, el post-processament de peces impreses en 3D-d'aliatge d'alumini sol incloure els passos següents. El primer és l'eliminació de la pols i l'eliminació del suport: la pols residual no fosa dins dels canals interns i a la superfície s'ha de netejar a fons, i s'han d'eliminar les estructures de suport afegides durant la impressió. Aquest pas és especialment crític per a peces amb cavitats internes complexes i sovint requereix equips especialitzats, com ara l'eliminació de pols de vibració i la purga del flux d'aire. El segon és el tractament tèrmic, inclòs el recuit-d'alleujament de l'estrès i el tractament d'envelliment en solució. El recuit-de alleujament de tensió s'utilitza principalment per eliminar les tensions residuals generades durant la impressió i per evitar la deformació o l'esquerdament durant l'ús o el mecanitzat posteriors. Per a graus com l'AlSi10Mg, el tractament de l'envelliment de la solució pot perfeccionar encara més l'estructura del gra i millorar la resistència i la ductilitat del material, apropant les propietats mecàniques o fins i tot superant les de les peces d'aliatge d'alumini fosa-tradicional. A més, per a components crítics de càrrega-que requereixen una alta densitat, es pot dur a terme un premsat isostàtic en calent (HIP); l'entorn d'alta-temperatura i alta-pressió elimina els defectes microscòpics de porositat dins de la peça i millora encara més el rendiment a la fatiga. Finalment, d'acord amb els requisits específics d'aplicació de la peça, s'apliquen mecanitzats mecànics, sorra, anodització, recobriment i altres tractaments superficials per complir els requisits de precisió dimensional, qualitat d'aspecte o funcionalitat especial (com ara resistència al desgast, aïllament o estètica).

En les decisions de selecció reals, les empreses sovint han de pesar aliatges d'alumini impresos en 3D-en comparació amb els processos tradicionals de fosa a pressió-. La fosa a pressió tradicional té un avantatge significatiu de costos en la producció de grans-volums; El cost unitari disminueix ràpidament a mesura que augmenta el volum. Tanmateix, requereix el desenvolupament de motlles dedicats en la fase inicial. El disseny i la fabricació del motlle solen trigar unes quantes setmanes o fins i tot mesos, i qualsevol canvi de disseny sovint significa descartar el motlle i reinvertir. En canvi, els aliatges d'alumini impresos en 3D-no requereixen motlles; un cop confirmat el fitxer de disseny, la impressió pot començar directament. És especialment adequat per a la verificació ràpida de prototips durant el desenvolupament de nous productes i per a la producció de peces complexes o personalitzades de baix volum-que són difícils de formar en un sol pas mitjançant la fosa a pressió. Al mateix temps, la impressió 3D pot realitzar canals de flux intern complexos, gelosia i estructures buides que són difícils d'aconseguir amb la fosa a pressió, proporcionant un major espai de disseny per a la lleugeresa del producte i la integració funcional.

Aprofitant els seus avantatges en la lleugeresa i la llibertat de disseny, la tecnologia d'aliatge d'alumini imprès-3D ja ha trobat aplicacions pràctiques en diversos camps. A l'aeronàutica, la impressió 3D d'aliatge d'alumini s'utilitza àmpliament per fabricar peces estructurals d'UAV, suports de satèl·lit i altres components amb requisits estrictes de reducció de pes-. En la fabricació d'automòbils, les peces de canals de flux-complexes, com ara col·lectors d'admissió i carcasses-d'aigua per a vehicles de carreres i-alt rendiment, es produeixen cada cop més mitjançant la impressió 3D d'aliatge d'alumini integrada, que escurça els cicles de desenvolupament i permet que els dissenys d'optimització del procés-de flux tradicionals no aconsegueixin. En els camps dels equips electrònics i la gestió tèrmica, la bona conductivitat tèrmica dels aliatges d'alumini combinada amb les complexes aletes de dissipació de calor-i les estructures de canals de flux biomimètic- que la impressió 3D pot realitzar s'aplica àmpliament a la fabricació de dissipadors de calor i cambres de vapor per a dispositius electrònics d'alt rendiment-. A més, a la fabricació de motlles, la impressió 3D d'aliatge d'alumini s'utilitza per produir insercions de motlle amb canals de refrigeració conformes, escurçant de manera efectiva els temps de refrigeració en la producció d'emmotllament per injecció o fosa a pressió-i millorant l'eficiència de la producció.

Mitjançant l'estreta coordinació del disseny del model, el processament de dades, la preparació del material, la impressió/format i el post{0}}processament, la tecnologia d'aliatge d'alumini imprès en 3D-ofereix una via tècnica eficient i flexible per a la fabricació de peces d'aliatge d'alumini d'estructura-lleugera i complexa. En comparació amb els processos tradicionals de-fosa a pressió i mecanitzat, aquesta tecnologia demostra avantatges únics en la llibertat de disseny, el cicle de desenvolupament i la producció personalitzada en petits-lots. Tot i que encara hi ha reptes en els costos de producció en gran-volum i en certs controls de detalls del procés, amb la disminució contínua dels costos dels materials en pols d'aliatge d'alumini i la millora contínua dels sistemes de paràmetres del procés, s'espera que els aliatges d'alumini impresos en 3D-aconsegueixin aplicacions més extenses i profundes en l'aeroespacial, la gestió de l'automòbil, la gestió electrònica i molts altres camps.