SLM: tillverkning av olika fordonskomponenter

De specifika tillämpningarna av SLM inom flyg- och rymdindustrin

Föreställ dig att du bygger en komplex flygplanskomponent, inte genom att svetsa eller bearbeta metallbitar, utan genom att noggrant lägga på mikroskopiska partiklar med en laserstråle. Detta är magin med Selective Laser Melting (SLM), en 3D-utskriftsteknik som revolutionerar flygindustrin.

SLM, även känt som Laser Powder Bed Fusion (LPBF), erbjuder en mängd fördelar för tillverkare inom flyg- och rymdindustrin. Det gör det möjligt att skapa invecklade, lätta delar med exceptionella styrke-/viktförhållanden - en drömkombination för att bygga bränsleeffektiva och högpresterande flygplan. Men exakt vilka är dessa specifika tillämpningar och vilka metallpulver är det som driver denna innovation? Låt oss dyka djupt in i den fascinerande världen av SLM inom flyg- och rymdindustrin.

Metallpulver för SLM

Framgången för SLM beror på de unika egenskaperna hos de metallpulver som används i tryckprocessen. Dessa fina, noggrant utformade partiklar förvandlas från en bädd av damm till komplicerat formade komponenter under laserstrålens exakta vägledning. Här’r en närmare titt på tio vanligt förekommande metallpulver i SLM-applikationer för flyg- och rymdindustrin:

Metallpulver för SLM inom flyg- och rymdindustrin

Metallpulver	Sammansättning (wt%)	Viktiga egenskaper	Tillämpningar
Ti-6Al-4V (klass 23)	Ti (balans), Al (6,0-6,8), V (3,5-4,5)	Högt förhållande mellan styrka och vikt, utmärkt biokompatibilitet	Landningsställskomponenter, motorfästen, flygplansstrukturer, protesimplantat (medicinska tillämpningar)
Inconel 718	Ni (balans), Cr (17-21), Fe (balans), Nb (5,0-5,5), Mo (2,8-3,3)	Hög hållfasthet, god korrosionsbeständighet, hög temperaturprestanda	Turbinblad, brännkammarinlägg, värmeväxlare, komponenter till raketmotorer
Aluminium AlSi10Mg	Al (balans), Si (9-11), Mg (0,3-0,6)	God hållfasthet, låg vikt, utmärkt svetsbarhet	Kylflänsar, kanalkomponenter, lätta konstruktionsdelar
Maråldrat stål 1.2709 (AMS 5644)	Fe (balans), Ni (18-20), Mo (4,8-5,3), Ti (1,7-2,0), Al (0,8-1,2)	Hög hållfasthet, god seghet, utmärkt dimensionsstabilitet	Landningsställskomponenter, högt belastade konstruktionsdelar
Titan Ti-6Al-4V ELI (Extra låg interstitial)	Ti (balans), Al (6,0-6,8), V (3,5-4,5), Låg O, N, C, H	Hög hållfasthet, utmärkt biokompatibilitet, förbättrad duktilitet jämfört med Grade 23	Medicinska implantat, flyg- och rymdkomponenter som kräver överlägsen utmattningsbeständighet
Nickellegering 282 (Inconel 625)	Ni (balans), Cr (20-23), Mo (5-7), Fe (balans)	Utmärkt korrosionsbeständighet, hög temperaturprestanda	Avgassystem, värmeväxlare, komponenter som utsätts för tuffa miljöer
Scalmalloy av aluminium (AA7075)	Al (balans), Zn (5,6-6,1), Mg (2,1-2,6), Cu (1,2-1,6)	Hög hållfasthet, god bearbetbarhet	Vingkomponenter, flygkroppsstrukturer, flygplansdelar som kräver högt förhållande mellan styrka och vikt
Kobolt Krom CoCrMo (ASTM F75)	Co (balans), Cr (27-30), Mo (5-7)	Hög slitstyrka, biokompatibel	Höft- och knäproteser (medicinska tillämpningar), jetmotorkomponenter som kräver slitstyrka
Rostfritt stål 17-4PH	Fe (balans), Cr (15,5-17,5), Ni (3,0-5,0), Cu (3,0-5,0)	Hög hållfasthet, god korrosionsbeständighet, utskiljningshärdning	Fjädrar, lager, flyg- och rymdkomponenter som kräver en kombination av styrka och korrosionsbeständighet
Nickellegering Rene 41	Ni (balans), Cr (18-21), Co (9-11), Mo (9-11), Ti (1,0-1,5), Al (0,8-1,2)	Hög temperaturprestanda, utmärkt krypmotstånd	Turbinblad, brännkammarinlägg, flyg- och rymdkomponenter som utsätts för extrema temperaturer

Tabellen ovan ger en inblick i de olika metallpulver som används för SLM inom flyg- och rymdindustrin. Låt oss fördjupa oss i några viktiga överväganden när vi väljer rätt pulver för en specifik applikation:

• Förhållande mellan styrka och vikt: Detta är av yttersta vikt inom flygindustrin, där komponenterna måste vara otroligt starka men ändå lätta för att optimera bränsleeffektiviteten. Legeringar som Ti-6Al-4V och Scalmalloy (AA7075) utmärker sig i denna kategori.
• Prestanda vid höga temperaturer: Komponenter i jetmotorer och andra miljöer med hög värmeutveckling kräver pulver som Inconel 718 och Rene 41, som klarar extrema temperaturer utan att strukturens integritet äventyras.
• Korrosionsbeständighet: Flygplan måste tåla tuffa väderförhållanden. Nickellegeringar som Inconel 625 och rostfritt stål 17-4PH ger utmärkt korrosionsbeständighet.
• Biokompatibilitet: För flyg- och rymdtillämpningar som samverkar med medicinska områden, t.ex. protesimplantat, är pulver som Ti-6Al-4V ELI avgörande på grund av sin biokompatibilitet.
• Svetsbarhet: Om efterbearbetningstekniker som svetsning är en del av tillverkningsprocessen, föredras pulver som aluminium AlSi10Mg för sin goda svetsbarhet.

Utöver tabellen finns det några ytterligare faktorer att tänka på när man väljer ett metallpulver för SLM:

• Pulverets flytbarhet: Pulvret måste flyta fritt och jämnt för optimal skiktbildning under tryckprocessen.
• Laserabsorptionsförmåga: Pulverets förmåga att effektivt absorbera laserstrålens energi är avgörande för att partiklarna ska smälta och bindas samman på rätt sätt.
• Ytjämnhet: Den önskade ytfinishen på den slutliga komponenten kan påverka valet av pulver, eftersom vissa pulver ger grövre ytor jämfört med andra.

Att välja det optimala metallpulvret är ett viktigt steg för att säkerställa att ett SLM-projekt inom flyg- och rymdindustrin blir framgångsrikt. Genom att noga överväga applikationens specifika krav och egenskaperna hos tillgängliga pulver kan tillverkare frigöra den fulla potentialen hos denna transformativa teknik.

SLM i aktion: Att flyga med specifika applikationer

SLM&#8217s förmåga att skapa komplexa geometrier med exceptionell precision har öppnat dörrar för en mängd olika tillämpningar inom flygindustrin. Här är några viktiga områden där SLM gör betydande framsteg:

SLM kan användas för att tillverka olika motorkomponenter:

• Turbinblad: De intrikata interna kylkanalerna i turbinbladen är idealiska kandidater för SLM. Detta möjliggör lättare och mer effektiva bladkonstruktioner, vilket bidrar till förbättrad motorprestanda.
• Foder till förbränningsugnar: Dessa komponenter utsätts för extrema temperaturer och kräver högtemperaturtåliga material som Inconel 718. SLM gör det möjligt att skapa komplexa kylkanaler i liners, vilket förbättrar deras hållbarhet och effektivitet.
• Värmeväxlare: SLM underlättar tillverkningen av värmeväxlare med invecklade interna flödesvägar, vilket optimerar värmeöverföringen i flygplansmotorer.

SLM kan användas för tillverkning av strukturer för flygplanskroppar:

• Landningsställets komponenter: SLM gör det möjligt att skapa landningsställskomponenter med låg vikt men ändå hög hållfasthet med hjälp av legeringar som Ti-6Al-4V och Maraging Steel.
• Komponenter till vingar: SLM kan användas för att tillverka lätta och strukturellt sunda vingkomponenter av aluminiumlegeringar som Scalmalloy (AA7075).
• Strukturer för flygplanskroppen: SLM ger möjlighet att skapa komplexa och lätta flygkroppsstrukturer, vilket bidrar till att minska flygplanens totala vikt.

SLM kan användas för tillverkning av andra komponenter inom flyg- och rymdindustrin:

• Satellitkomponenter: Möjligheten att skapa mycket kundanpassade och lätta satellitdelar gör SLM till ett värdefullt verktyg inom rymdindustrin.
• Obemannade flygfarkoster (UAV): SLM är väl lämpat för tillverkning av lätta och högpresterande komponenter för UAV:er.
• Komponenter till raketmotorer: SLM kan tillverka komplexa och högtemperaturbeständiga komponenter till raketmotorer med legeringar som Rene 41.

Tillämpningarna av SLM inom flyg- och rymdindustrin utökas kontinuerligt i takt med att tekniken mognar och utbudet av lämpliga metallpulver breddas. Detta kommer att revolutionera flygplansdesign och tillverkning och leda till en ny generation av bränsleeffektiva, lätta och högpresterande flygplan.

SLM erbjuder flera ytterligare fördelar för flyg- och rymdindustrin

• Designfrihet: SLM gör det möjligt att skapa komplexa geometrier som skulle vara svåra eller omöjliga att tillverka med traditionella metoder som maskinbearbetning eller gjutning. Detta öppnar dörrar för lättviktskonstruktioner med interna gitter och kanaler, vilket optimerar prestanda och bränsleeffektivitet.
• Viktminskning: En grundprincip inom flyg- och rymdteknik är att uppnå högsta möjliga förhållande mellan styrka och vikt. SLM möjliggör användning av lättviktsmetallegeringar som titan och aluminium, vilket avsevärt minskar flygplanens vikt jämfört med traditionella tillverkningsmetoder. Lägre vikt innebär förbättrad bränsleeffektivitet, ökad räckvidd och förbättrad nyttolastkapacitet.
• Delkonsolidering: SLM gör det möjligt att konsolidera flera delar till en enda komponent. Detta förenklar tillverkningsprocesserna, minskar monteringstiden och -kostnaderna samt minimerar potentiella felkällor i slutprodukten.
• Minskning av lager: Med tillverkningsmöjligheter på begäran minimerar SLM behovet av stora lager av reservdelar. Detta minskar lagerkostnaderna och förbättrar logistiken för flyg- och rymdföretag.
• Snabb prototyptillverkning: Möjligheten att snabbt skapa funktionella prototyper med hjälp av SLM påskyndar design- och utvecklingsprocessen inom flygindustrin. Det gör att ingenjörerna kan testa och iterera på konstruktioner mer effektivt, vilket leder till snabbare innovationscykler.

SLM inom flyg- och rymdindustrin medför dock också vissa överväganden:

• Kostnad: SLM-maskiner och metallpulver kan vara dyra, vilket gör denna teknik dyrare än traditionella tillverkningsmetoder för högvolymproduktion.
• Ytjämnhet: SLM-tillverkade detaljer kan ha en grövre ytfinish jämfört med maskinbearbetade komponenter. Efterbearbetningstekniker som maskinbearbetning eller polering kan krävas för att uppnå önskad ytkvalitet.
• Begränsningar för delstorlek: Nuvarande SLM-maskiner har begränsningar när det gäller storleken på de delar de kan tillverka. Detta kan begränsa användningen av SLM för vissa storskaliga komponenter inom flyg- och rymdindustrin.
• Pulver av hög kvalitet: Kvaliteten och konsistensen på metallpulvret som används vid SLM har en betydande inverkan på de mekaniska egenskaperna hos den färdiga detaljen. Strikta kvalitetskontrollåtgärder är avgörande för framgångsrika SLM-applikationer.

Trots dessa överväganden driver fördelarna med SLM på dess införande inom flygindustrin. I takt med att tekniken utvecklas minskar kostnaderna och pulverkvaliteten förbättras, SLM är redo att förändra flygplansdesign och -tillverkning och bana väg för en ny era av bränsleeffektiva, lätta och högpresterande flygresor.

VANLIGA FRÅGOR

Q: Vilka är de största fördelarna med att använda SLM inom flyg- och rymdindustrin?

S: De främsta fördelarna är designfrihet för komplexa geometrier, viktminskning för förbättrad bränsleeffektivitet, delkonsolidering för förenklad tillverkning och snabb prototypframtagning för snabbare designcykler.

Q: Vilka är några av utmaningarna med SLM inom flyg- och rymdindustrin?

S: De främsta utmaningarna är högre kostnader jämfört med traditionella metoder, risk för grov ytfinish, begränsningar av detaljstorleken och det kritiska beroendet av högkvalitativa metallpulver.

Q: Vilka typer av metallpulver används vanligtvis i SLM för flyg- och rymdtillämpningar?

Svar: Bland de metallpulver som används ofta finns Ti-6Al-4V (för hållfasthet och biokompatibilitet), Inconel 718 (för hög temperaturbeständighet), aluminium AlSi10Mg (för god hållfasthet och svetsbarhet) och Maraging Steel (för hög hållfasthet och dimensionsstabilitet).

Q: Hur ser framtiden ut för SLM inom flygindustrin?

S: Framtiden ser ljus ut! I takt med att tekniken utvecklas, kostnaderna sjunker och utbudet av lämpliga metallpulver ökar, förväntas SLM spela en allt viktigare roll när det gäller att revolutionera flygplansdesign och tillverkning för nästa generations rymdfordon.

få veta mer om 3D-utskriftsprocesser