Penggunaan aloi aluminium dalam percetakan SLM 3D: pemilihan bahan dan pengoptimuman proses bahagian struktur ringan

Pengenalan: Peluang era pembuatan aditif aloi aluminium

Sebagai salah satu bahan logam ringan yang paling banyak digunakan, aloi aluminium mempunyai kedudukan yang tidak boleh ditukar ganti dalam aeroangkasa, pembuatan kereta, peralatan elektronik dan bidang lain. Proses penuangan dan pemesinan tradisional mempunyai masalah seperti penggunaan bahan yang rendah dan kebebasan reka bentuk yang terhad. Teknologi peleburan laser terpilih (SLM) membuka kemungkinan baharu untuk pembuatan bahagian aloi aluminium. Teknologi SLM boleh mencapai bentuk hampir bersih bagi geometri kompleks, meningkatkan penggunaan bahan dengan ketara, dan mencapai pemberat ringan yang melampau melalui pengoptimuman topologi dan kaedah reka bentuk lain.

Sistem bahan aloi aluminium SLM dan ciri prestasi

Bahan aloi aluminium yang biasa digunakan dalam proses SLM terutamanya termasuk AlSi10Mg, Al6061, Al7075 dan aloi aluminium kekuatan tinggi baharu. AlSi10Mg ialah bahan aloi aluminium SLM yang paling matang, dengan kecairan yang baik dan kepekaan retak haba yang rendah. Kekuatan tegangan seperti yang dicetak boleh mencapai 350-400MPa, yang boleh ditingkatkan lagi kepada lebih daripada 450MPa selepas rawatan haba. AlSi10Mg mempunyai kandungan silikon eutektik yang tinggi (kira-kira 10%), yang membentuk zarah silikon halus semasa proses pemejalan, dengan berkesan meningkatkan kekuatan dan kekerasan bahan.

Sebagai aloi aluminium cacat yang paling banyak digunakan, Al6061 sukar untuk dicetak dengan SLM. Sebab utama ialah pembentukan fasa pengukuhan Mg2Si dalam aloi memerlukan proses rawatan haba yang ketat. Dalam tahun-tahun kebelakangan ini, dengan mengoptimumkan parameter pencetakan dan membangunkan formula serbuk khas, kualiti percetakan SLM Al6061 telah dipertingkatkan dengan ketara, dan prestasi percetakan telah hampir dengan tahap pemprosesan tradisional.

Kesan parameter proses pencetakan pada prestasi bahagian

Pemilihan parameter proses SLM secara langsung mempengaruhi ketumpatan, sifat mekanikal dan kualiti permukaan bahagian aloi aluminium. Kuasa laser biasanya dalam julat 200-400W, dan kelajuan pengimbasan adalah antara 800-1500mm/s. Parameter khusus perlu dioptimumkan mengikut ciri peralatan dan geometri bahagian. Kuasa laser yang lebih tinggi digabungkan dengan kelajuan pengimbasan sederhana boleh mencapai ketumpatan yang lebih tinggi (>99.5%), tetapi input tenaga yang terlalu tinggi boleh menyebabkan kesan lubang kunci dan kecacatan lubang udara.

Strategi pengimbasan mempunyai kesan penting pada tegasan sisa dan ubah bentuk bahagian. Strategi pengimbasan yang biasa digunakan termasuk papan dam, pengimbasan jalur dan pengimbasan lingkaran. Untuk bahagian yang besar dan kompleks, adalah disyorkan untuk menggunakan pengimbasan bersegmen digabungkan dengan pemanasan awal substrat untuk mengurangkan tekanan sisa dengan berkesan. Sudut imbasan berputar antara lapisan (seperti putaran 67°) boleh menghapuskan anisotropi tekstur yang diimbas dan meningkatkan ketekalan prestasi bahagian.

Reka bentuk struktur sokongan dan strategi penyingkiran

Reka bentuk struktur sokongan bahagian SLM aloi aluminium perlu mempertimbangkan secara menyeluruh pengaliran haba, pelepasan tekanan dan kemudahan penyingkiran. Untuk ciri dengan sudut terampai lebih daripada 45°, struktur sokongan perlu direka bentuk. Struktur sokongan biasanya berbentuk blok, garisan atau kon, dan reka bentuk struktur gigi pada permukaan sentuhan mempengaruhi kebolehtanggalan sokongan. Untuk struktur lumen yang kompleks, bahan sokongan larut (seperti aloi aluminium + sokongan komposit garam) boleh digunakan, atau penyokong boleh tanggal boleh direka bentuk.

Permukaan yang ditinggalkan selepas penyingkiran sokongan memerlukan pasca pemprosesan. Kaedah yang biasa digunakan termasuk pemesinan, letupan pasir, penggilap elektrolitik, dsb. Bagi bahagian yang mempunyai keperluan penampilan yang tinggi, adalah disyorkan untuk menempah elaun pemesinan 0.3-0.5mm pada permukaan sentuhan sokongan dan mendapatkan permukaan berkualiti tinggi melalui pemesinan.

Proses rawatan haba dan peningkatan prestasi

Proses rawatan haba bahagian aloi aluminium SLM ialah pautan utama untuk mencapai prestasi tinggi. Proses rawatan haba standard AlSi10Mg ialah: rawatan penyepuhlindapan (300°C/2j) boleh menghapuskan tekanan sisa dan meningkatkan pemanjangan kepada lebih daripada 12%; rawatan penuaan penyelesaian pepejal (530°C/6j+160°C/7j) boleh meningkatkan kekuatan kepada lebih daripada 450MPa. Rawatan tekanan isostatik panas (HIP) boleh menghapuskan liang dalaman dengan berkesan dan meningkatkan prestasi keletihan.

Untuk Al6061, proses rawatan haba T6 disyorkan: rawatan larutan (530°C/1j) + penuaan buatan (160°C/18j) untuk mendapatkan sifat mekanikal komprehensif terbaik. Perlu diingatkan bahawa struktur mikro bahagian bercetak SLM adalah berbeza daripada bahagian yang diproses tradisional, dan parameter rawatan haba perlu dioptimumkan dengan sewajarnya.

Kes aplikasi dalam industri aeroangkasa dan automotif

Dalam bidang aeroangkasa, bahagian aloi aluminium SLM telah digunakan dalam bahagian struktur satelit, kurungan enjin, kurungan peralatan dalam kabin, dsb. Pesawat penumpang Airbus A350 menggunakan kurungan dalam kabin yang dibuat oleh SLM, yang mengurangkan dan mengurangkan berat pembuatan sebanyak 30% . Enjin Raptor SpaceX menggunakan manifold bahan api aloi aluminium SLM untuk mencapai reka bentuk bersepadu saluran aliran kompleks.

Dalam industri automotif, teknologi SLM aloi aluminium digunakan terutamanya dalam pembuatan bahagian tersuai untuk kereta lumba berprestasi tinggi dan model mewah. Porsche 911 GT2 RS menggunakan manifold ekzos aloi aluminium yang dibuat oleh SLM, yang mengurangkan berat sebanyak 40% dan meningkatkan prestasi dengan ketara. Kereta sport hibrid BMW i8 menggunakan pendakap atas lembut aloi aluminium SLM untuk mencapai gabungan sempurna penyepaduan ringan dan berfungsi.

Kawalan kualiti dan kaedah ujian

Kawalan kualiti bahagian SLM aloi aluminium meliputi tiga aspek: kualiti serbuk, proses percetakan dan ujian produk siap. Kualiti serbuk perlu diuji untuk pengedaran saiz zarah (D50: 30-50μm), kandungan oksigen (0mm5mm. Cabaran utama yang dihadapi ialah: mengurangkan kos bahan (harga serbuk adalah kesesakan utama semasa), meningkatkan kecekapan pencetakan (membangunkan sistem pancaran berbilang laser dan kuasa yang lebih tinggi), dan mewujudkan sistem piawai (standard bahan, spesifikasi proses, piawaian ujian).

Apabila prestasi peralatan bertambah baik dan kos bahan berkurangan, teknologi SLM aloi aluminium akan menunjukkan nilai uniknya dalam julat bidang aplikasi yang lebih luas dan menyediakan sokongan teknikal utama untuk transformasi ringan industri pembuatan.