Od części zamiennych do samochodów po anteny satelitarne, zastosowania części aluminiowych drukowanych w technologii 3D rozszerzają się ze względu na wzrost adopcji nowych materiałów aluminiowych opracowanych specjalnie do produkcji addytywnej. Na rynku dostępnych jest również więcej opcji i usług drukarek 3D, które dostarczają czyste i stopowe części aluminiowe.
Stopy aluminium drukowane w technologii 3D często charakteryzują się lepszymi właściwościami materiałowymi niż aluminium produkowane konwencjonalnie, a części wykonane z tych stopów mogą charakteryzować się złożoną geometrią, możliwą do uzyskania jedynie przy użyciu technologii wytwarzania addytywnego (AM).
Na przykład weźmy dysze rakietowe Ramfire na paliwo ciekłe produkowane przez NASA i testowane (przedstawione powyżej) w Marshall Space Flight Center w 2023 roku. W projekcie wykorzystano nowy opatentowany stop aluminium 6061-RAM2 opracowany przez Elementum 3D, który zapewnia niesamowitą wytrzymałość, a jednocześnie oferuje znaczną oszczędność masy silników rakietowych i pojazdów startowych. Ale to nie tylko stop aluminium jest korzyścią dla agencji kosmicznej, to kształty i cechy, które druk 3D może z niego tworzyć. Na przykład dysze są drukowane w 3D z małymi wewnętrznymi kanałami, które utrzymują je w wystarczająco niskiej temperaturze, aby zapobiec ich stopieniu. NASA twierdzi, że „te techniki AM obniżają koszty sprzętu, skracają harmonogramy produkcji, zwiększają niezawodność poprzez zmniejszenie liczby połączeń i poprawiają wydajność sprzętu, umożliwiając niekonwencjonalne projektowanie”.
Cele NASA Moon to Mars wymagają możliwości wysyłania większej ilości ładunków do miejsc docelowych w głębokiej przestrzeni kosmicznej. Ten nowy stop aluminium może odegrać w tym zasadniczą rolę, umożliwiając produkcję lekkich komponentów rakietowych zdolnych do wytrzymywania dużych obciążeń konstrukcyjnych.
W październiku US Navy ogłosiła, że używa drukarki 3D do ciekłego metalu w kontenerze do produkcji funkcjonalnych części in situ na pokładzie USS San Diego. Części aluminiowe zostały następnie ocenione pod kątem jakości i wydajności, a wyniki wskazały, że komponenty były w pełni funkcjonalne do zamierzonych zastosowań.
Scott Bike Components niedawno zaprezentowało na targach rowerowych Eurobike 2024 nowatorską konstrukcję kierownicy (przedstawioną powyżej), w której przewody hamulcowe były umieszczone wewnątrz przez wewnętrzne kanały. Kierownica drukowana w 3D została wykonana z mocniejszego stopu aluminium o nazwie Aluminium 6061 i wydrukowana w 3D przy użyciu maszyny do łączenia metali metodą laserowego łączenia proszkowego firmy Trumpf.
Części aluminiowe drukowane w technologii 3D wylądowały na Księżycu jako część Smart Lander Japońskiej Agencji Eksploracji Aerokosmicznej . Struktury amortyzatorów znajdujące się na końcu każdej nogi lądownika zostały zaprojektowane tak, aby odkształcać się przy uderzeniu w powierzchnię, aby zmiękczyć lądowanie, ale musiały być superlekkie na czas podróży.
W listopadzie producent drukarek 3D Eplus3D i Leap 71, twórca technologii inżynierii opartej na sztucznej inteligencji z siedzibą w Dubaju, zaprojektowali i wydrukowali w 3D aluminiowy silnik rakietowy o wysokości ponad 1,3 metra, który jest uważany za największy na świecie jednoczęściowy silnik rakietowy wytwarzany metodą addytywną. Eplus3D wyprodukował go w jednym nieprzerwanym procesie budowy, który trwał 354 godziny.
Bardziej przyziemny przykład wytrzymałości aluminium drukowanego w 3D można zobaczyć w „najszybszym rowerze świata”, który został wydrukowany w 3D w Scalmalloy, wysokowydajnym stopie skandu, aluminium i magnezu opracowanym przez producenta materiałów APWorks specjalnie do produkcji addytywnej. Ta ultralekka rama roweru drukowana w 3D (drukowana w 3D na wielkoformatowej maszynie EOS M400) przyczyniła się do rekordowej prędkości Filippo Ganny (56,8 km/h) podczas Hour Record 2022 w Szwajcarii.
Również zwracając się ku drukowaniu w technologii 3D aluminium, Airbus Helicopters ogłosił nowe plany rozszerzenia swoich możliwości w zakresie produkcji addytywnej poprzez utworzenie nowego centrum druku 3D w Donauwörth w Niemczech. W centrum tym zostanie umieszczonych więcej maszyn firmy Trumpf, oprócz tych, które Airbus Helicopters już wykorzystuje do produkcji elementów konstrukcyjnych z wytrzymałego aluminium i tytanu.
Airbus Helicopters początkowo będzie wykorzystywał nowy zakład do produkcji podzespołów do koncepcyjnego śmigłowca CityAirbus z napędem elektrycznym oraz eksperymentalnego, szybkiego śmigłowca Racer, a także części do samolotów pasażerskich Airbus A350 i A320 oraz innych.
Zarówno duzi, jak i mali producenci decydują się na drukowanie aluminium w technologii 3D. Przyjrzyjmy się zatem, w jaki sposób producenci drukarek i materiałów współpracują ze sobą, aby tworzyć nowe zastosowania dla aluminium drukowanego w technologii 3D.
Zalety drukowania 3D aluminium
Stopy aluminium charakteryzują się dobrą odpornością chemiczną, są bardzo lekkie i mają jeden z najlepszych stosunków wytrzymałości do masy spośród wszystkich metali. Jest to wybór wielu osób w przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym ze względu na jego zdolność do wytrzymywania trudnych warunków.
Istnieje wiele powodów, dla których aluminium jest idealnym materiałem do szerokiej gamy zastosowań, ale gdy dodamy do tego wyjątkowe korzyści, jakie oferuje druk 3D, staje się ono jeszcze lepszym wyborem.
Jedną z największych zalet druku 3D w aluminium, a właściwie w każdym innym metalu, jest to, że można tworzyć części z wewnętrznymi kanałami i cechami, których nie da się wyprodukować w żaden inny sposób. Można również drukować wieloczęściowy zespół jako jedną jednostkę, drastycznie skracając czas produkcji i montażu oraz opracowując bardziej wydajną część.
Drukowanie 3D również nie generuje zbyt wielu odpadów. Kiedy pracujesz z drogimi surowcami, wszystko, co możesz zrobić, aby zminimalizować odpady, jest dużym plusem. Jest to szczególnie interesujące dla przemysłu lotniczego, który nieustannie dąży do poprawy swojego współczynnika „buy-to-fly”, czyli masy zakupionego surowca w porównaniu do masy końcowej części. Współczynnik ten jest kluczowy dla oceny efektywności procesów produkcyjnych, ponieważ wyższy współczynnik oznacza więcej odpadów materiałowych podczas produkcji.
Odlewanie lub obróbka aluminium często wiąże się z wyższymi kosztami produkcji (szczególnie w przypadku małych wolumenów) i zużywa więcej energii podczas produkcji. Istnieje również dodatkowy koszt wcześniejszego wyprodukowania narzędzi lub formowania dla tradycyjnych procesów.
Oprócz tych zalet, drukowanie aluminium w 3D jest również ekonomicznym wyborem, gdy potrzebujesz tylko jednej części zamiennej lub niewielkiej ilości produktów. Producenci addytywni mogą szybko i niedrogo produkować części o małej objętości i niestandardowe, a pojawiająca się technologia sprawia, że zarówno większe serie produkcyjne, jak i niższe koszty operacyjne stają się rzeczywistością.
Jak drukować aluminium w 3D
Prawie każda technologia druku 3D metalu może przetwarzać aluminium, a różnice między nimi to prędkość, rozmiar, poziom szczegółowości oraz rodzaj i koszt surowca. Poniżej znajduje się sześć technologii, ale są też inne, mniej używane, które szczegółowo opisujemy poniżej.
- Modelowanie osadzania stopionego materiału (FDM)
- Spajanie laserowe proszkowe (LPBF)
- Topienie wiązką elektronów (EBM)
- Metalowe spoiwo strumieniowe (MBJ)
- Zimny spray
- Produkcja addytywna łukiem drutowym (WAAM)
Modelowanie osadzania stopionego materiału (FDM)
W przypadku FDM obecnie tylko dwie firmy oferują filament aluminiowy (The Virtual Foundry i Zetamix). Ta metoda wymaga etapów obróbki końcowej — debindowania i spiekania w piecu — aby uzyskać część metalową w ponad 90%. Jest to najtańszy sposób na uzyskanie części aluminiowej, ponieważ filament aluminiowy będzie działał na większości stacjonarnych drukarek FDM, ale są one najczęściej używane do dekoracyjnych i prototypowych części metalowych, a nie funkcjonalnych.
Spajanie laserowe proszku (LPBF)
LPBF to najpopularniejsza technologia druku 3D aluminium, ale nie każda drukarka z tą technologią może obsługiwać aluminium. Na podstawie właściwości stopu na bazie aluminium, który ma zostać przetworzony, parametry drukowania LPBF muszą zostać zoptymalizowane i dostrojone, aby kontrolować porowatość, mikrostrukturę i końcowe właściwości materiału. Dlatego zobaczysz konkretne relacje między producentami materiałów i producentami drukarek.
Najlepsze aluminiowe drukarki 3D LPBF
Topienie wiązką elektronów (EBM)
EBM to proces podobny do LPBF, ale wykorzystuje wiązkę elektronów zamiast lasera. Wysoka temperatura procesu wiązki elektronów powoduje wolniejsze chłodzenie pojedynczych warstw, a zatem grubszą mikrostrukturę w porównaniu z LPBF. Czyste aluminium nie jest kompatybilne z EBM, ale stopy tytanu i aluminium są.
Najlepsze drukarki 3D EBM ze stopu aluminium
- QBEAM-Aero350
Produkcja addytywna natryskowa na zimno i łukiem drutowym (WAAM)
Technologie natrysku na zimno i WAAM są wykorzystywane do szybkiego tworzenia dużych części aluminiowych o kształcie netto, które są następnie często obrabiane maszynowo do mniejszych tolerancji. Ta metoda jest o wiele bardziej ekonomiczna niż odlewanie pojedynczych, unikalnych części stosowanych w przemyśle ciężkim.
Najlepsze aluminiowe drukarki 3D WAAM
- ALM3D
- MX3D
- Gefertec
- WAAM3D
- Karakol
Metalowe spoiwo strumieniowe
Metalowe drukowanie strumieniowe spoiwem dla aluminium to technologia szybkiego drukowania średnich i dużych ilości części. Technologia ta wymaga obróbki końcowej. Istnieją trzej główni producenci produkujący drukarki 3D do metalowego drukowania strumieniowego spoiwem, ale tylko jeden drukuje z aluminium, Desktop Metal.
Najlepsze aluminiowe drukarki 3D Binder Jet
- Seria X firmy Desktop Metal, system produkcyjny i system produkcyjny P-1 (z zestawem bezpieczeństwa reaktywnego)
Specjalistyczne technologie aluminiowe
Jedna ze specjalistycznych technologii obejmuje wytłaczanie stopionego aluminium. Nazywana między innymi osadzaniem stopionej energii bezpośredniej (molten DED) lub strumieniem ciekłego metalu, technologia ta różni się od drukowania 3D metodą wytłaczania metalu tym, że wersje wytłaczania wykorzystują metalowy surowiec z odrobiną polimeru w środku, aby metal był wytłaczalny. Następnie polimer jest usuwany na etapie obróbki cieplnej.
Z drugiej strony Molten DED wykorzystuje czysty metal. Jest dostępny u producentów maszyn 3D Grob, Valcun i ADDiTec. Xerox oferował tę technologię w swojej drukarce 3D ElemX, która jest obecnie instalowana w wybranych amerykańskich instalacjach wojskowych, ale sprzedał ją ADDiTec . Zaletą tego podejścia jest to, że nie ma niebezpiecznego proszku metalowego do pracy, a gotowe wydruki nie wymagają żadnej obróbki końcowej.
Inna specjalistyczna technologia dla aluminium w ilościach produkcyjnych jest rozwijana przez start-up o nazwie Alloy Enterprises . Firma wykorzystuje rodzaj procesu drukowania 3D z laminowaniem arkuszy, który wykorzystuje jako surowiec arkusze aluminium. Nie jest jasne, czy Alloy Enterprises zaoferuje swoją technologię jako maszynę czy usługę.
W kategorii własnej, ale podobnej do stopionego DED, jedna firma o nazwie Meld wykorzystuje osadzanie energii tarcia (nazywane również osadzaniem energii mieszania tarcia). FED to proces w stanie stałym, co oznacza, że materiał nie osiąga temperatury topnienia podczas drukowania, więc wytwarza części o niskich naprężeniach szczątkowych i pełnej gęstości, twierdzi firma, wykorzystując znacznie mniej energii niż bardziej konwencjonalne procesy oparte na fuzji. FED to również proces jednoetapowy, który nie wymaga spiekania ani obróbki końcowej. Proces ten ma potencjał do szybkiej produkcji metalu bez niebezpiecznych proszków metalowych lub ciepła.Kompletny przewodnik po drukowaniu aluminium w 3D
Zaawansowane materiały aluminiowe
Tylko w 2024 r. przeprowadzono znaczne prace badawczo-rozwojowe w zakresie stopów aluminium do produkcji addytywnej. Nie tylko w odniesieniu do wprowadzenia na rynek nowych stopów aluminium do druku 3D, ale także drukarek 3D, które są teraz kompatybilne z aluminium. Na przykład BLT wprowadziło na rynek nowy, wysokowytrzymały stop aluminium, BLT-AlAM500, specjalnie zaprojektowany do zastosowań lotniczych, podczas gdy Elementum 3D wprowadziło na rynek A5083-RAM2, wysokowytrzymały stop aluminium, który nie wymaga żadnej obróbki cieplnej po zbudowaniu.
Na początku AM inżynierowie mieli problemy z pracą z aluminium, ale sytuacja się zmieniła. Nowe, wysokowydajne aluminium i stopy zostały stworzone specjalnie do procesów drukowania 3D, które wykazują tradycyjne cechy wymagane obecnie przez producentów. Materiały te są specjalnie dostrojone, aby wykorzystać unikalne procesy topienia laserowego i wytwarzania przyrostowego wiązką elektronów.
Pojawiło się kilka nowych start-upów z zastrzeżonymi technikami atomizacji, aby produkować wysokowydajny proszek stopu aluminium specjalnie do druku 3D. Lista „drukowalnych” materiałów metalowych podwoiła się w ciągu ostatnich trzech lat, co znacznie zwiększyło liczbę możliwych zastosowań, w których użytkownicy mogą wykorzystać produkcję addytywną.
Specjalne aluminium do druku 3D
- NExP-1 , wprowadzony na rynek pod koniec 2022 r. przez firmę materiałową Equispheres, to niewybuchowy stop aluminium do produkcji addytywnej, który zmniejsza zagrożenia związane z codziennym obchodzeniem się z materiałami do druku 3D. Equispheres twierdzi również, że jego proszek Performance AlSi10Mg przeznaczony do produkcji addytywnej był w stanie skrócić czas drukowania o ponad 60% podczas drukowania złożonego elementu wyposażenia na drukarce 3D Aconity3D z laserowym łączeniem proszku.
- Scalmalloy , opracowany przez firmę produkującą materiały dodatkowe APWorks specjalnie do druku 3D, jest stopem aluminium przetwarzalnym AM o najwyższej wytrzymałości, twierdzi firma. Jest stosowany w przemyśle lotniczym i motorowym jako zamiennik aluminium o wysokiej wytrzymałości serii 7000.
- Proszek aluminiowy A20X został opracowany specjalnie do produkcji addytywnej przez Aluminium Materials Technologies, obecnie część Eckart Group. Firma twierdzi, że ten specjalny stop przeznaczony do zastosowań lotniczych może wytwarzać znacznie lżejsze komponenty niż konwencjonalne aluminium.
- Elementum 3D oferuje gazowo atomizowane proszki do produkcji addytywnej stopów aluminium, w tym ulepszone wersje tradycyjnych stopów aluminium i zaawansowane dyspersyjnie wzmacniane proszki aluminium, które są możliwe dzięki opatentowanemu procesowi Reactive Additive Manufacturing (RAM). Proces RAM sprawia, że wcześniej niespawalne, a zatem niedrukowalne stopy aluminium są dostępne do druku 3D metali jako proszki do produkcji.
- EOS Aluminium Al2139 AM to zastrzeżony stop aluminium od producenta drukarek i materiałów EOS, opracowany specjalnie do produkcji addytywnej, aby zapewnić wydajność w podwyższonych temperaturach do 200ºC. Wprowadzony na rynek w 2021 r. stop został zaprojektowany tak, aby dać klientom EOS możliwość znacznego zmniejszenia masy wytwarzanych części bez uszczerbku dla wytrzymałości (wytrzymałość na rozciąganie około 500 MPa po obróbce cieplnej).
- Aheadd to kolekcja dwóch proszków aluminiowych firmy materiałowej Constellium zoptymalizowanych pod kątem procesów laserowego łączenia proszkowego. Aheadd CP1 oferuje wiele korzyści, w tym przewodnictwo cieplne i elektryczne zbliżone do przewodnictwa czystego aluminium, wysoką ciągliwość i doskonałe właściwości wykończenia powierzchni. Ten stop jest również ekonomiczną alternatywą dla innych zastosowań AM ze względu na bardzo dużą prędkość drukowania i uproszczoną obróbkę końcową, co sprawia, że Aheadd CP1 jest rozwiązaniem z wyboru zarówno do szybkiego prototypowania, jak i produkcji seryjnej.
- S220 AM to nowy stop aluminium do laserowego łączenia proszkowego wprowadzony na rynek w 2022 r. przez szwedzką firmę Granges Powder Metallurgy. Stop aluminium S220 charakteryzuje się wysoką zawartością krzemu, niską gęstością i niskim współczynnikiem rozszerzalności cieplnej. Obecnie dostępny tylko jako usługa.
- Aluminium CustAlloy firmy ECKA Granules firmy Kymera zostało zaprojektowane specjalnie do laserowego łączenia proszkowego i jest szczególnie korzystne w zastosowaniach motoryzacyjnych, twierdzi firma, ponieważ nie pęka ani nie łamie się tak szybko jak tradycyjne aluminium, co umożliwia zastosowanie w zastosowaniach związanych z wypadkami. Ten opatentowany stop na bazie Al-Si-Mg można poddawać obróbce cieplnej, aby zapewnić wysoką wytrzymałość lub wyjątkową ciągliwość, w zależności od końcowego zastosowania.
Standardowe aluminium produkcyjne
Wiele z obecnych stopów aluminium do druku 3D to proste stopy odlewnicze, takie jak AlSi10Mg. Te stopy aluminium nie są szczególnie wytrzymałe ani nie wytrzymują wysokich temperatur. Mimo to ich właściwości mechaniczne nadają się do szerokiego zakresu zastosowań, a materiał jest „spawalny”, a zatem może być stosowany w druku 3D bez pękania. Właściwości tych materiałów mogą być wszystkim, czego niektóre firmy szukają w druku 3D metali, ale inne, zwłaszcza przemysł lotniczy i zaawansowana produkcja, potrzebują czegoś więcej.
Chociaż na rynku dostępnych jest wiele różnych rodzajów stopów aluminium, poniżej przedstawiamy niektóre z nich, najczęściej stosowane w drukowaniu przestrzennym.
- AISi10Mg to najpopularniejszy stop aluminium, który charakteryzuje się solidną wytrzymałością, twardością i właściwościami dynamicznymi. Jego niewielka waga zapewnia również dobre właściwości termiczne i ma dużą możliwość budowy do stosowania w trudnych geometriach. Zastosowania obejmują obudowy, kanały, części silników i narzędzia produkcyjne.
- AlSi7Mg0 łączy aluminium, krzem i niewielką ilość magnezu, aby stworzyć wysoce wytrzymały i lekki materiał odpowiedni do drobnych obiektów i złożonych geometrii. Jest stosowany w zastosowaniach wymagających stosunku wytrzymałości do masy, a także dobrych właściwości termicznych.
- Al 6061 i Al 7075. Producenci 3D zaczynają odnosić sukcesy w drukowaniu przy użyciu 6061 i 7075, które wcześniej uważano za niesprzyjające procesowi AM. Łączenie nanocząsteczek wykazuje postęp.
Stopy z serii 6000 mają właściwości, które czynią je jednymi z najpopularniejszych tradycyjnych metod produkcji części elektrycznych lub elektronicznych. Są ciągliwe, mają wysoką przewodność cieplną, przewodność elektryczną i są odporne na korozję. 6061 to utwardzane wydzieleniowo aluminium zawierające magnez i krzem.
Proszkowe stopy serii 7000 charakteryzują się wysoką zawartością cynku, są znane ze znakomitych właściwości mechanicznych zapewniających większą wytrzymałość i nadają się do obróbki cieplnej. Stal 7075 jest najczęściej stosowana w częściach konstrukcyjnych poddawanych dużym naprężeniom, np. częściach samolotów, i jest mocniejsza od wielu standardowych stali konstrukcyjnych.Kompletny przewodnik po drukowaniu aluminium w 3D
Zamów aluminiowe części drukowane w technologii 3D
Inwestowanie w drukarkę 3D do metalu nie jest małą decyzją, a częścią każdej dobrej staranności jest zamawianie części próbnych. Możesz je zamówić u producenta, ale wielu producentów drukarek z tej listy oferuje również usługi drukowania na żądanie. W przypadku mniejszych projektów, pojedynczych egzemplarzy i testów zlecenie wydruków 3D usłudze drukowania 3D do metalu może znacznie obniżyć koszty kapitałowe i koszty ogólne związane z obsługą własnego systemu.
źródło: all3dp
