аддитивное производство алюминия

Алюминий - популярный металлический материал для аддитивного производства, который ценится за высокое соотношение прочности и веса, отличную коррозионную стойкость, термические свойства и механические характеристики. Как аддитивное производство алюминия Качество и возможности принтеров растут, и новые высокотехнологичные области применения в аэрокосмической промышленности, автомобилестроении, производстве потребительских товаров и архитектуре могут получить выгоду от производства сложных алюминиевых деталей.

В этом обзоре рассматриваются преимущества распространенных алюминиевых сплавов, используемых в таких процессах AM, как лазерное сплавление с порошковым слоем (PBF-LB) и прямое энергетическое осаждение (DED), а также их соответствующие свойства, процедуры последующей обработки, области применения и ведущие поставщики. Сравнительные таблицы указывают на компромиссы между различными алюминиевыми материалами и методами AM.

Обзор аддитивного производства алюминия

Основные преимущества алюминия для приложений AM:

• Легкий вес - низкая плотность позволяет уменьшить вес печатной детали
• Высокая прочность - предел текучести многих алюминиевых сплавов превышает 500 МПа
• Отличная коррозионная стойкость - защитный оксидный внешний слой
• Высокая теплопроводность - потенциал рассеивания тепла
• Хорошие свойства при повышенных температурах - до 300-400°C
• Электропроводящий - полезен для применения в электронике
• Низкая стоимость - дешевле, чем титановые или никелевые сплавы
• Возможность вторичной переработки - порошки могут быть использованы повторно, что снижает затраты на материалы

В сочетании со свободой проектирования в AM алюминий позволяет создавать более легкие и эффективные компоненты в различных отраслях промышленности. Усовершенствования в производстве алюминиевого порошка позволяют расширить возможности изготовления плотных деталей, конкурирующих с литыми и коваными металлическими изделиями.

Порошковые материалы из алюминиевых сплавов для AM

Алюминиевые сплавы, оптимизированные для аддитивного производства, используют контролируемое производство частиц порошка в сочетании с интеллектуальными легирующими добавками для улучшения свойств.

Распространенные композиции алюминиевых сплавов AM

Сплав	Si%	Fe%	Cu%	Mn%	Mg%	Другое
AlSi10Mg	9-11	<1	<0.5	<0.45	0.2-0.45	–
AlSi7Mg0.6	6-8	<1	<0.5	<0.45	0.55-0.6	–
Scalmalloy®	4-6	0.1-0.3	<0.1	<0.1	0.4-0.7	Zr Sc
C35A	3-5	0.6	3.0-4.0	0.2-0.7	0.25-0.8	–
A20X	3-5	0.6	3.5-4.5	0.2-0.8	0.05-0.5	–

Кремний - распространенный упрочнитель. Микроэлементы, такие как Fe, Cu, Mg, оптимизируют свойства. Уникальные сплавы, такие как Scalmalloy®, используют наночастицы скандий-циркониевого осадка для достижения сверхвысокой прочности, превышающей прочность деформируемых сплавов.

Основные характеристики алюминиевых сплавов AM

Сплав	Прочность на разрыв	Плотность	Глубина проникновения слоя
AlSi10Mg	400-440 МПа	2,67 г/куб. см	70-100 мкм
AlSi7Mg0.6	420-500 МПа	2,66 г/куб. см	60-80 мкм
Scalmalloy®	Более 550 МПа	2,68 г/куб. см	50-70 мкм

Более высокая прочность ограничивает достижимую глубину одного слоя до необходимости проведения циклов переплавки.

Технические характеристики аддитивное производство алюминия

Критические характеристики порошка, такие как текучесть, форма частиц и химическая чистота, определяют качество AM-обработки алюминия.

Стандарты распределения по размерам для порошка алюминия

Измерение	Типовая спецификация
Диапазон размеров	15 - 45 мкм
Форма частиц	Преимущественно сферическая
Медианный размер (D50)	25-35 мкм

Строгий контроль над распределением частиц по размерам, морфологией и уровнем загрязнения обеспечивает плотные бездефектные печатные детали.

Стандарты химии для алюминиевых печатных порошков

Элемент	Предел композиции
Кислород (O2)	0,15% макс.
Азот (N2)	0,25% макс.
Водород (H2)	0,05% макс.

Ограничения на содержание газообразных примесей предотвращают появление обширной пористости или внутренних пустот в печатных алюминиевых компонентах.

Процедуры постобработки для аддитивное производство алюминия

Распространенные методы постобработки алюминиевых деталей, изготовленных аддитивным способом, включают:

Методы постобработки алюминиевых деталей AM

Термообработка

Термообработка T6 - циклы нагрева и старения с раствором для повышения прочности, твердости и пластичности. Необходима для достижения наивысших механических характеристик многих сплавов Al.

Обработка поверхности

Обработка, дробеструйная обработка или полировка наружных поверхностей обеспечивает точность размеров и гладкость поверхности. Анодирование позволяет окрашивать и защищать алюминиевые поверхности.

HIP (горячее изостатическое прессование)

Высокая температура + давление минимизируют внутренние пустоты и пористость. Применяется в критических для герметичности областях, но требует дополнительных технологических операций.

Обработка

Обработка с ЧПУ таких элементов, как прецизионные опорные поверхности или резьба, в деталях AM чистой формы. До 60% сокращение обработки по сравнению с традиционным производством.

Технологии аддитивного производства алюминия

Современные металлические 3D-принтеры используют селективное лазерное плавление, электронные лучи или струйное нанесение связующего для создания сложных алюминиевых деталей, недостижимых обычными методами.

Сравнение алюминиевых AM-процессов

Метод	Описание	Преимущества	Ограничения
Порошковое наплавление - лазер	Лазер избирательно плавит участки слоя металлического порошка	Высокая точность, свойства материала и качество обработки поверхности	Относительно низкая скорость сборки
Сплавление порошкового слоя - электронный пучок	Электронно-лучевая плавка в высоком вакууме	Отличная консистенция, высокая плотность	Ограниченный выбор материалов, высокая стоимость оборудования
Прямое энергетическое осаждение	Сфокусированный источник тепла расплавляет металлический порошок	Крупные детали, ремонт	Более плохая обработка поверхности, ограничения по геометрии
Струйная обработка вяжущего	Связующее вещество подается струей для соединения частиц порошка	Очень высокая скорость сборки, низкая стоимость оборудования	Более слабые механические характеристики, требуется вторичное спекание

Лазерная технология порошкового напыления обеспечивает наилучшие возможности для изготовления большинства функциональных алюминиевых деталей.

Применение алюминиевых деталей AM

Легкий вес, высокая прочность и тепловые характеристики алюминия AM соответствуют требованиям:

Отрасли, использующие алюминиевые детали, изготовленные методом аддитивного производства

Аэрокосмическая промышленность - кронштейны, ребра жесткости, теплообменники, компоненты БПЛА

Автомобильная промышленность - специальные кронштейны, силовые агрегаты, шасси и трансмиссии

Промышленность - легкая робототехника и оснастка, создание прототипов

Архитектура - орнамент, металлические изделия на заказ

Потребитель - электроника, продукция по индивидуальным заказам

Алюминиевый AM открывает новые возможности дизайна, идеально подходящие для сложных критически важных приложений.

Поставщики алюминиевых печатных порошков

Порошки алюминиевых сплавов высокой чистоты, специально оптимизированные для процессов аддитивного производства, предлагаются крупнейшими поставщиками металлических материалов:

Ведущие компании по производству алюминиевой пудры

Компания	Распространенные марки сплавов	Типичная цена/кг
AP&C	A20X, A205, сплавы на заказ	$55 – $155
Sandvik Osprey	AlSi10Mg, AlSi7Mg0.6, Scalmalloy®	$45 – $220
Технология LPW	AlSi10Mg, Scalmalloy®	$85 – $250
Praxair	AlSi10Mg, AlSi7Mg0.6	$50 – $120

Цены зависят от выбора сплава, размера порошка, количества партий и необходимых сертификатов.

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

Какой алюминиевый сплав лучше всего подходит для лазерного порошкового наплавления AM?

AlSi10Mg обеспечивает наилучшую универсальность печати, механические свойства и коррозионную стойкость для большинства применений лазерной порошковой 3D-печати алюминиевых сплавов.

Какой гранулометрический состав рекомендуется для алюминиевых AM-порошков?

Гауссова кривая со средним размером в диапазоне 25-35 мкм обеспечивает оптимальную плотность слоя порошка и равномерное плавление на большинстве распространенных лазерных установок для плавки в порошковом слое.

Почему Scalmalloy считается передовым алюминиевым сплавом?

Scalmalloy использует равномерную структуру, упрочненную осадками, для достижения непревзойденной прочности при сохранении достойного удлинения и вязкости разрушения благодаря новому скандийсодержащему составу, недостижимому при обычной металлургии алюминия.

Следует ли использовать термообработку после аддитивного производства алюминия?

Да, термическая обработка улучшает микроструктуру и повышает механические свойства многих алюминиевых сплавов AM. Типичная обработка T6 включает в себя нагрев раствора с последующим искусственным старением, что приводит к значительному улучшению свойств за счет явлений упрочнения осадками.

Какая обработка поверхности возможна для алюминиевых деталей AM?

После некоторых операций механической обработки, шлифовки, зачистки и/или полировки для алюминиевых деталей, изготовленных аддитивным способом, в зависимости от используемого AM-процесса, достигаются значения шероховатости поверхности (Ra) менее 10 мкм. Более интенсивная финишная обработка может обеспечить зеркальные поверхности оптического класса. Распространенные виды отделки включают анодирование для улучшения коррозионных и износостойких свойств в сочетании с возможностью окрашивания.

узнать больше о процессах 3D-печати