Аддитивное производство алюминия

Обзор аддитивного производства алюминия

Аддитивное производство алюминияПод 3D-печатью алюминия понимается процесс послойного создания алюминиевых деталей с использованием технологий 3D-печати. Он позволяет создавать сложные геометрические формы и индивидуальные алюминиевые детали без применения традиционных методов обработки.

Некоторые основные сведения об аддитивном производстве алюминия:

• Используется в таких отраслях промышленности, как аэрокосмическая, автомобильная, медицинская, производство потребительских товаров для изготовления прототипов, оснастки и деталей конечного потребления
• Обеспечивает свободу проектирования, снижает вес, объединяет узлы в одну деталь
• Производство прочных, долговечных алюминиевых деталей со свойствами материала, близкими к традиционному производству
• Используются технологии 3D-печати металлов, такие как порошковое напыление, направленное энергетическое осаждение
• Широко используются такие алюминиевые сплавы, как AlSi10Mg, Scalmalloy, Al6061
• Последующая обработка, такая как горячее изостатическое прессование, обработка на станках с ЧПУ, необходимая для достижения конечного качества детали

Типы оборудования для аддитивного производства алюминия

Тип оборудования	Описание	Материалы	Размер конструкции	Точность	Отделка поверхности	Стоимость
Порошковая кровать Fusion	Использование лазерного или электронного луча для селективного расплавления и сплавления слоев металлического порошка	Алюминиевые сплавы, титан, стали, суперсплавы	От малого до среднего	Высокая (до 0,1 мм)	Грубая печать, хорошее качество после механической обработки	Высокая (>$500K машины)
Направленное энергетическое осаждение	Источник энергии, например лазерный/электронный луч, фокусируется на определенных участках, в которые добавляется металлический порошок для изготовления детали	Алюминиевые сплавы, титан, стали, суперсплавы	От среднего до крупного	Средний (от 0,5 до 1 мм)	Грубая печать, хорошая обработка	Высокая (>$500K машины)
Струйная обработка вяжущего	Связывание металлического порошка с помощью жидкого связующего вещества, а также протравливание детали после печати	Алюминиевые сплавы, стали	Средний	Средний (от 0,5 до 1 мм)	Грубый (требуется инфильтрационный сплав)	Нижний (машина $150K - $300K)

Области применения аддитивного производства алюминия

Промышленность	Примеры применения	Преимущества
Аэрокосмическая промышленность	Детали, кронштейны, несущие конструкции авиационных и ракетных двигателей	Облегчение, нестандартные геометрические формы
Автомобильная промышленность	Нестандартные кронштейны, теплообменники, оснастка и приспособления	Консольные сборки, быстрое прототипирование
Медицина	Зубные коронки, ортопедические имплантаты, хирургические инструменты	Биосовместимые, индивидуально подобранные размеры
Потребительские товары	Рамы для дронов, спортивные товары, модные аксессуары	Мелкосерийное производство, быстрая итерация конструкции
Инструментальная оснастка	Пресс-формы для литья под давлением, оснастка, приспособления, измерительные приборы	Быстрее и дешевле, чем традиционная оснастка

Технические характеристики аддитивного производства алюминия

Параметр	Подробности
Материалы	Алюминиевые сплавы: AlSi10Mg, Al6061, Scalmalloy, нестандартные сплавы
Размеры деталей	До 500 мм x 500 мм x 500 мм для порошкового наплавления <br> 1 м x 1 м x 1 м для направленного осаждения энергии
Разрешение слоя	Типичные размеры от 20 до 100 мкм
Отделка поверхности	После печати: Ra 10-25 мкм <br> Механическая обработка: Ra 0,4 - 6,3 мкм
Механические свойства	Прочность на разрыв: 330-470 МПа <br> Предел текучести: 215-350 МПа <br> Удлинение при разрыве: 3-8%
Точность	± 100 мкм для порошкового наплавления <br> ± 300 мкм для струйного нанесения связующего <br>± 500 мкм для направленного энергетического осаждения
Стандарты проектирования	ISO/ASTM 52900: Требования к проектированию аддитивного производства <br> ISO/ASTM 52921: Стандарт на процесс плавки металлического порошка

Поставщики и затраты на аддитивное производство алюминия

Поставщик	Бренды оборудования	Средняя стоимость детали
3D Systems	DMP, рисунок 4	$8-$12 на см3
EOS	Серия EOS M	$6-$10 на см3
GE Additive	Concept Laser M2, X Line 2000R	$8-$15 на см3
Velo3D	Velo3D Sapphire	$20+ на см3

Стоимость деталей зависит от скорости сборки, используемых материалов, геометрической сложности, необходимости последующей обработки и объема заказа. В целом аддитивное производство алюминия обеспечивает экономию затрат при небольших объемах производства, обычно не превышающих 10 000 единиц.

Требования к установке для аддитивного производства алюминия

Параметр	Требования
Тип объекта	Специализированная установка для АМ металлов с климат-контролем, станциями обработки порошка
Источник питания	200...480 В, 30...150 кВт, 30...70 А на машину
Газоснабжение	Аргон, азот для плавки в порошковом слое <br> Аргон для направленного энергетического осаждения
Выхлопные системы	Системы удаления дыма, HEPA-фильтры для порошковых частиц
Программное обеспечение	CAD, программное обеспечение для управления AM-машинами, например Materialise Magics, Autodesk Netfabb
Постобработка	Горячий изостатический пресс, дробеструйная камера, обработка на станках с ЧПУ

Для аддитивного производства металлов рекомендуется чистая, контролируемая по температуре среда в диапазоне 15-30°C. Также необходимо обеспечить надлежащее оборудование для хранения, обработки и утилизации порошка.

Эксплуатация и обслуживание аддитивного производства алюминия

Деятельность	Частота
Калибровка	Ежедневная проверка мощности лазера, ежеквартальная калибровка
Управление материальными ресурсами	Проверка порошка Ситовой анализ, морфология ежеквартально
Сервисное обслуживание оборудования	Очистка оптики, фильтров, от ежедневной до еженедельной <br> Замена расходных материалов, таких как очистители, фильтры <br> Профилактическое обслуживание в соответствии с графиком производителя оборудования
Обновление программного обеспечения	Регулярное обновление микропрограммного обеспечения и программного обеспечения
Обслуживание помещений	Проверка систем отопления, охлаждения, выхлопа <br> Чистые станции обработки порошка

Очень важна ежедневная очистка оборудования и контроль работы всех систем. Обязательно обучение персонала и использование СИЗ для работы с металлическими порошками. Соблюдайте рекомендации производителя оборудования по профилактическому обслуживанию и калибровке.

Выбор партнера по аддитивному производству алюминия

При выборе поставщика услуг АМ для алюминиевых деталей следует учитывать следующее:

• Опыт в области АМ-процессов - обратите внимание на годы работы, наличие конкретных примеров по алюминию
• Возможности обработки материалов и последующей обработки - алюминиевые сплавы, HIP, термообработка, механическая обработка
• Сертификаты качества - ISO 9001, ISO/IEC 17025, Nadcap
• Опыт проектирования - могут ли они оптимизировать детали для AM?
• Установленное оборудование - современные, хорошо обслуживаемые станки
• Оборудование для постобработки - что имеется в наличии?
• Быстрое изготовление прототипов
• Масштабируемость для производства - могут ли они соответствовать объемам?
• Расположение и логистика - полезно, если рядом
• Конкурентоспособность по стоимости - прозрачное ценообразование, экономичность по объему проекта
• Отзывы клиентов - поиск в Интернете или запрос рекомендаций

Плюсы и минусы аддитивного производства алюминия

Преимущества	Недостатки
Сложные геометрические формы, консолидация узлов	Ограниченный размер в зависимости от объема сборки
Облегчение, уменьшение количества деталей	Постобработка увеличивает время выполнения заказа
Быстрое прототипирование, цифровая инвентаризация	Более высокая стоимость по сравнению с традиционными методами при больших объемах
Свобода проектирования, оптимизированные формы	Более низкое удлинение по сравнению с деформируемыми сплавами
Минимальные отходы материалов	Анизотропные свойства в горизонтальной и вертикальной плоскостях
Сокращение сроков разработки	Для устранения пористости может потребоваться горячее изостатическое прессование
Производство без инструментов, не требуются приспособления	Специальная подготовка и оборудование для металлических АМ

Алюминиевая технология AM обеспечивает такие преимущества, как гибкость конструкции, консолидация деталей и быстрое время выполнения заказа. Однако для этого требуется специализированное оборудование и опыт. Для производства деталей конечного назначения необходимо глубокое понимание технологического процесса.

Вопросы и ответы

Какие сплавы алюминия используются в аддитивном производстве?

Среди распространенных алюминиевых сплавов можно назвать следующие:

• AlSi10Mg - отличная прочность и качество обработки поверхности. Самый популярный алюминиевый сплав в АМ.
• Al6061 - сплав повышенной прочности с хорошей коррозионной стойкостью. Легко доступен.
• Scalmalloy - алюминиевый сплав, разработанный компанией Airbus, обладающий высокой прочностью и пластичностью.
• Нестандартные сплавы - могут быть разработаны для оптимизации определенных свойств. Требуется проведение НИОКР.

Какая постобработка требуется для алюминиевых AM-деталей?

Общие этапы постобработки включают:

• Извлечение из монтажной плиты
• Дробеструйное упрочнение или дробеструйная обработка для придания гладкости поверхности
• Горячее изостатическое прессование для повышения плотности
• Термическая обработка для обеспечения оптимальных механических свойств
• Обработка с ЧПУ - сверление, нарезание резьбы, фрезерование для обеспечения точности размеров
• Обработка поверхности - анодирование, порошковое покрытие для придания эстетичности

Как стоимость алюминиевого АМ сравнивается с обработкой на станках с ЧПУ?

Для малосерийного производства (менее 100 деталей) АМ, как правило, экономически более эффективна, чем обработка с ЧПУ. При этом не требуется оснастка, а время выполнения заказа быстрее. При больших объемах, превышающих 1000 деталей, обработка с ЧПУ имеет более низкую стоимость из-за отходов материала при использовании АМ. Гибридные подходы, сочетающие АМ и механическую обработку, могут обеспечить экономически эффективные решения для средних объемов производства.

Какие размеры алюминиевых деталей можно изготовить с помощью 3D-печати металлов?

Для технологий с порошковым слоем, таких как DMLS и EBM, максимальный размер детали составляет около 500 х 500 х 500 мм. Крупноформатные машины позволяют изготавливать детали размером более 1 м х 1 м х 1 м. Струйная обработка связующим и направленное осаждение энергии имеют меньшие ограничения по размерам, а некоторые машины позволяют изготавливать детали метрового размера.

Какое качество поверхности можно ожидать при аддитивном производстве алюминия?

Шероховатость поверхности после печати с помощью АМ составляет около Ra 10-25 мкм. Различные операции финишной обработки могут значительно улучшить этот показатель:

• Обработка на станках с ЧПУ - Ra от 0,4 до 6,3 мкм
• Полировка - Ra < 1 мкм
• Анодирование - гладкая однородная поверхность для повышения коррозионной стойкости

При правильной постобработке алюминиевые AM-детали могут получить гладкую поверхность, сравнимую с традиционным производством.

В каких отраслях используется аддитивное производство алюминия?

К основным отраслям промышленности, применяющим алюминиевый АМ, относятся:

• Аэрокосмическая промышленность - авиационные компоненты, кронштейны, детали двигателей
• Автомобильная промышленность - теплообменники, нестандартные опоры, оснастка
• Медицина - зубные протезы, имплантаты, хирургические инструменты
• Потребительские товары - компоненты для беспилотников, спортивное оборудование, гаджеты
• Промышленность - Заготовки, приспособления конечного назначения для производства и сборки

Алюминиевый АМ позволяет создавать легкие и оптимизированные конструкции в этих сегментах.

Какие знания и опыт требуются для проведения АМ алюминия на предприятии?

Для успешного внедрения собственного алюминиевого АМ требуется:

• Инженеры по AM оптимизируют сборку и квалификацию процессов
• Техники по эксплуатации и обслуживанию оборудования
• Группа контроля качества для проверки деталей и процедур
• Техники по работе с порошковыми материалами, прошедшие обучение по охране труда и технике безопасности
• Группа по эксплуатации оборудования для обеспечения электропитания, охлаждения, газоснабжения и вытяжки
• Программное обеспечение, сетевая поддержка для управления данными АМ

Для наращивания экспертизы в области АМ в организации рекомендуется использовать подход, основанный на создании межфункциональных команд.

Какие стандарты применяются к аддитивному производству алюминия?

Основные стандарты включают:

• ISO/ASTM 52900 - Стандартная терминология для АМ
• ISO/ASTM 52921 - Стандарт на технологическое оборудование для порошкового наплавления
• ASTM F3001 - стандарт для медицинских деталей AM
• ASTM F3301 - Стандарт для направленного энергетического осаждения металлов AM
• ASTM F3302 - Стандарт для струйного нанесения связующего на металлы AM

Сертификация деталей по этим стандартам свидетельствует об управлении качеством и соответствии требованиям.

Заключение

Аддитивное производство алюминия позволяет создавать легкие и оптимизированные алюминиевые компоненты в аэрокосмической, автомобильной, медицинской промышленности и производстве потребительских товаров. При наличии необходимых знаний и опыта можно изготавливать алюминиевые детали конечного использования, используя гибкость послойной 3D-печати. По мере развития технологии алюминиевого АМ-производства будет снижаться стоимость и расти уровень внедрения этого универсального металлического материала.

узнать больше о процессах 3D-печати