Inleiding: Kansen van het tijdperk van additieve productie van aluminiumlegeringen
Als een van de meest gebruikte lichtgewicht metalen materialen heeft aluminiumlegering een onvervangbare positie in de lucht- en ruimtevaart, autoproductie, elektronische apparatuur en andere gebieden. Traditionele giet- en bewerkingsprocessen hebben problemen zoals een laag materiaalgebruik en beperkte ontwerpvrijheid. Selectieve lasersmelttechnologie (SLM) opent nieuwe mogelijkheden voor de productie van onderdelen van aluminiumlegeringen. SLM-technologie kan een bijna-netvorm van complexe geometrieën bereiken, het materiaalgebruik aanzienlijk verbeteren en een extreem lichtgewicht bereiken door middel van topologie-optimalisatie en andere ontwerpmethoden.
SLM-materiaalsysteem en prestatiekenmerken van aluminiumlegeringen
De materialen van aluminiumlegeringen die gewoonlijk worden gebruikt in het SLM-proces omvatten voornamelijk AlSi10Mg, Al6061, Al7075 en nieuwe, zeer sterke aluminiumlegeringen. AlSi10Mg is het meest volwassen SLM-aluminiumlegeringsmateriaal, met een goede vloeibaarheid en een lage thermische scheurgevoeligheid. De treksterkte zoals afgedrukt kan 350-400 MPa bereiken, die na warmtebehandeling verder kan worden verhoogd tot meer dan 450 MPa. AlSi10Mg heeft een hoog eutectisch siliciumgehalte (ongeveer 10%), dat tijdens het stollingsproces fijne siliciumdeeltjes vormt, waardoor de sterkte en hardheid van het materiaal effectief worden verbeterd.
Als de meest gebruikte vervormde aluminiumlegering is Al6061 moeilijk te printen met SLM. De belangrijkste reden is dat de vorming van de Mg2Si-versterkingsfase in de legering een strikt warmtebehandelingsproces vereist. Door de printparameters te optimaliseren en speciale poederformules te ontwikkelen, is de SLM-printkwaliteit van Al6061 de afgelopen jaren aanzienlijk verbeterd en liggen de printprestaties dicht bij het traditionele verwerkingsniveau.
De impact van printprocesparameters op de prestaties van onderdelen
De selectie van SLM-procesparameters heeft rechtstreeks invloed op de dichtheid, mechanische eigenschappen en oppervlaktekwaliteit van onderdelen van aluminiumlegeringen. Het laservermogen ligt doorgaans tussen 200 en 400 W en de scansnelheid ligt tussen 800 en 1500 mm/s. De specifieke parameters moeten worden geoptimaliseerd op basis van de kenmerken van de apparatuur en de onderdeelgeometrie. Een hoger laservermogen in combinatie met een gematigde scansnelheid kan een hogere dichtheid bereiken (>99,5%), maar een te hoge energie-input kan leiden tot sleutelgateffecten en luchtgatdefecten.
De scanstrategie heeft een belangrijke impact op de restspanning en vervorming van het onderdeel. Veelgebruikte scanstrategieën zijn schaakbordscannen, stripscannen en spiraalscannen. Voor grote en complexe onderdelen wordt aanbevolen om gesegmenteerd scannen te gebruiken in combinatie met het voorverwarmen van het substraat om restspanning effectief te verminderen. Roterende scanhoeken tussen lagen (zoals een rotatie van 67°) kunnen de anisotropie van gescande texturen elimineren en de consistentie van de prestatie van onderdelen verbeteren.
Ontwerp en verwijderingsstrategie van de ondersteuningsstructuur
Bij het ontwerp van de ondersteuningsstructuur van SLM-onderdelen van aluminiumlegeringen moet uitgebreid rekening worden gehouden met warmtegeleiding, spanningsverlichting en verwijderingsgemak. Voor elementen met een ophanghoek groter dan 45° moet een draagconstructie worden ontworpen. Steunstructuren hebben meestal de vorm van blokken, lijnen of kegels, en het ontwerp van de tandstructuur op het contactoppervlak beïnvloedt de verwijderbaarheid van de steun. Voor complexe lumenstructuren kunnen oplosbare steunmaterialen (zoals aluminiumlegeringen + zoutcomposietsteunen) worden gebruikt, of er kunnen afneembare steunen worden ontworpen.
Het oppervlak dat overblijft na het verwijderen van de ondersteuning vereist nabewerking. Veelgebruikte methoden zijn onder meer machinaal bewerken, zandstralen, elektrolytisch polijsten, enz. Voor onderdelen met hoge uiterlijke eisen wordt aanbevolen om een bewerkingsmarge van 0,3-0,5 mm op het steuncontactoppervlak te reserveren en door middel van machinale bewerking een oppervlak van hoge kwaliteit te verkrijgen.
Warmtebehandelingsproces en prestatieverbetering
Het warmtebehandelingsproces van SLM-onderdelen van aluminiumlegering is een belangrijke schakel om hoge prestaties te bereiken. Het standaard warmtebehandelingsproces van AlSi10Mg is: een gloeibehandeling (300°C/2 uur) kan restspanningen elimineren en de rek verhogen tot meer dan 12%; Een verouderingsbehandeling met een vaste oplossing (530°C/6u+160°C/7u) kan de sterkte verhogen tot meer dan 450 MPa. Een behandeling met heet isostatisch persen (HIP) kan de interne poriën effectief elimineren en de vermoeidheidsprestaties verbeteren.
Voor Al6061 wordt het T6-warmtebehandelingsproces aanbevolen: oplossingsbehandeling (530°C/1u) + kunstmatige veroudering (160°C/18u) om de beste uitgebreide mechanische eigenschappen te verkrijgen. Opgemerkt moet worden dat de microstructuur van SLM-geprinte onderdelen anders is dan die van traditioneel verwerkte onderdelen, en dat de warmtebehandelingsparameters dienovereenkomstig moeten worden geoptimaliseerd.
Toepassingsscenario's in de lucht- en ruimtevaart- en auto-industrie
In de lucht- en ruimtevaartsector zijn SLM-onderdelen van aluminiumlegeringen gebruikt in structurele onderdelen van satellieten, motorsteunen, uitrustingssteunen in de cabine, enz. Het A350-passagiersvliegtuig van Airbus maakt gebruik van in-cabinesteunen gemaakt door SLM, waardoor het gewicht met 30% wordt verminderd en de productiecyclus met 60% wordt verkort. De Raptor-motor van SpaceX maakt gebruik van een SLM-brandstofspruitstuk van aluminiumlegering om een geïntegreerd ontwerp van complexe stroomkanalen te bereiken.
In de auto-industrie wordt de SLM-technologie van aluminiumlegeringen voornamelijk gebruikt bij de productie van op maat gemaakte onderdelen voor hoogwaardige racewagens en luxe modellen. De Porsche 911 GT2 RS maakt gebruik van een uitlaatspruitstuk van aluminiumlegering, gemaakt door SLM, dat het gewicht met 40% vermindert en de prestaties aanzienlijk verbetert. De BMW i8 hybride sportwagen maakt gebruik van een softtopbeugel van SLM-aluminiumlegering om de perfecte combinatie van lichtgewicht en functionele integratie te bereiken.
Kwaliteitscontrole en testmethoden
De kwaliteitscontrole van SLM-onderdelen van aluminiumlegeringen omvat drie aspecten: poederkwaliteit, drukproces en testen van het eindproduct. De poederkwaliteit moet worden getest op deeltjesgrootteverdeling (D50: 30-50μm), zuurstofgehalte ( 500 mm). De belangrijkste uitdagingen waarmee we worden geconfronteerd zijn: het verlagen van de materiaalkosten (de poederprijs is momenteel het grootste knelpunt), het verbeteren van de printefficiëntie (het ontwikkelen van systemen met een hoger vermogen en multi-laserbundels) en het opzetten van een gestandaardiseerd systeem (materiaalnormen, processpecificaties, testnormen).
Naarmate de prestaties van apparatuur verbeteren en de materiaalkosten dalen, zal de SLM-technologie van aluminiumlegeringen haar unieke waarde demonstreren in een breder scala aan toepassingsgebieden en belangrijke technische ondersteuning bieden voor de lichtgewichttransformatie van de productie-industrie.
Dien een model, tekening, afbeelding of schriftelijke notities in. Ingenieurs beoordelen materiaal, proces, afwerking en levering op basis van daadwerkelijk gebruik.