Применение алюминиевого сплава в SLM 3D-печати: выбор материала и оптимизация процесса изготовления легких конструктивных деталей

Введение: возможности эпохи аддитивного производства алюминиевых сплавов

Как один из наиболее широко используемых легких металлических материалов, алюминиевый сплав занимает незаменимую позицию в аэрокосмической, автомобильной промышленности, электронном оборудовании и других областях. Традиционные процессы литья и механической обработки имеют такие проблемы, как низкое использование материала и ограниченная свобода проектирования. Технология селективного лазерного плавления (SLM) открывает новые возможности для производства деталей из алюминиевых сплавов. Технология SLM позволяет добиться почти чистой формы сложной геометрии, значительно улучшить использование материалов и добиться максимального веса за счет оптимизации топологии и других методов проектирования.

Система материалов из алюминиевых сплавов SLM и эксплуатационные характеристики

Материалы из алюминиевых сплавов, обычно используемые в процессе SLM, в основном включают AlSi10Mg, Al6061, Al7075 и новые высокопрочные алюминиевые сплавы. AlSi10Mg — наиболее зрелый материал из алюминиевого сплава SLM, обладающий хорошей текучестью и низкой чувствительностью к термическому растрескиванию. Предел прочности при печати может достигать 350-400 МПа, а после термообработки его можно увеличить до более чем 450 МПа. AlSi10Mg имеет высокое содержание эвтектического кремния (около 10%), который в процессе затвердевания образует мелкие частицы кремния, эффективно улучшая прочность и твердость материала.

Al6061, как наиболее широко используемый деформированный алюминиевый сплав, трудно печатать с помощью SLM. Основная причина заключается в том, что образование упрочняющей фазы Mg2Si в сплаве требует строгого процесса термической обработки. В последние годы за счет оптимизации параметров печати и разработки специальных формул порошка качество SLM-печати Al6061 было значительно улучшено, а производительность печати приблизилась к традиционному уровню обработки.

Влияние параметров процесса печати на производительность деталей

Выбор параметров процесса SLM напрямую влияет на плотность, механические свойства и качество поверхности деталей из алюминиевых сплавов. Мощность лазера обычно находится в диапазоне 200–400 Вт, а скорость сканирования — 800–1500 мм/с. Конкретные параметры необходимо оптимизировать в соответствии с характеристиками оборудования и геометрией детали. Более высокая мощность лазера в сочетании с умеренной скоростью сканирования позволяет достичь более высокой плотности (>99,5%), но слишком высокая потребляемая энергия может привести к эффекту замочной скважины и дефектам воздушных отверстий.

Стратегия сканирования оказывает важное влияние на остаточное напряжение и деформацию детали. Обычно используемые стратегии сканирования включают шахматное сканирование, полосовое сканирование и спиральное сканирование. Для больших и сложных деталей рекомендуется использовать сегментное сканирование в сочетании с предварительным нагревом подложки, чтобы эффективно снизить остаточное напряжение. Вращение углов сканирования между слоями (например, поворот на 67°) может устранить анизотропию сканируемых текстур и улучшить стабильность работы детали.

Проектирование опорной конструкции и стратегия удаления

При проектировании опорной конструкции деталей SLM из алюминиевого сплава необходимо всесторонне учитывать теплопроводность, снятие напряжений и удобство снятия. Для элементов с углом подвешивания более 45° необходимо спроектировать опорную конструкцию. Опорные конструкции обычно имеют форму блоков, линий или конусов, а конструкция зубчатой ​​структуры на контактной поверхности влияет на возможность снятия опоры. Для сложных структур просвета можно использовать растворимые опорные материалы (например, композитные опоры из алюминиевого сплава и соли) или можно спроектировать съемные опоры.

Поверхность, оставшаяся после снятия опоры, требует постобработки. Обычно используемые методы включают механическую обработку, пескоструйную обработку, электролитическое полирование и т. д. Для деталей с высокими требованиями к внешнему виду рекомендуется оставлять припуск на обработку 0,3-0,5 мм на контактной поверхности опоры и получать качественную поверхность путем механической обработки.

Процесс термообработки и повышение производительности

Процесс термообработки деталей из алюминиевых сплавов SLM является ключевым звеном для достижения высоких характеристик. Стандартный процесс термообработки AlSi10Mg: отжиг (300°C/2 часа) позволяет устранить остаточное напряжение и увеличить удлинение более чем на 12%; Обработка старением в твердом растворе (530°C/6ч+160°C/7ч) может повысить прочность до более чем 450 МПа. Обработка горячим изостатическим прессованием (HIP) позволяет эффективно устранить внутренние поры и улучшить усталостные характеристики.

Для Al6061 рекомендуется процесс термообработки Т6: обработка раствором (530°C/1 час) + искусственное старение (160°C/18 ч) для получения наилучших комплексных механических свойств. Следует отметить, что микроструктура печатных деталей SLM отличается от микроструктуры традиционно обработанных деталей, и параметры термообработки необходимо соответствующим образом оптимизировать.

Случаи применения в аэрокосмической и автомобильной промышленности

В аэрокосмической области детали SLM из алюминиевого сплава используются в конструктивных деталях спутников, кронштейнах двигателей, кронштейнах салонного оборудования и т. д. В пассажирском самолете Airbus A350 используются кронштейны для салона, изготовленные SLM, что снижает вес на 30% и сокращает производственный цикл на 60%. В двигателе Raptor от SpaceX используется топливный коллектор SLM из алюминиевого сплава для достижения комплексной конструкции сложных каналов потока.

В автомобильной промышленности технология SLM из алюминиевых сплавов в основном используется при производстве индивидуальных деталей для высокопроизводительных гоночных автомобилей и моделей класса люкс. В Porsche 911 GT2 RS используется выпускной коллектор из алюминиевого сплава производства SLM, что снижает вес на 40% и значительно повышает производительность. В гибридном спортивном автомобиле BMW i8 используется кронштейн с мягкой крышей из алюминиевого сплава SLM, обеспечивающий идеальное сочетание легкости и функциональной интеграции.

Контроль качества и методы тестирования

Контроль качества деталей SLM из алюминиевых сплавов охватывает три аспекта: качество порошка, процесс печати и тестирование готовой продукции. Качество порошка необходимо проверить на предмет распределения частиц по размерам (D50: 30–50 мкм), содержания кислорода ( 500 мм). Основными задачами, с которыми приходится сталкиваться, являются: снижение затрат на материалы (цена на порошок в настоящее время является основным узким местом), повышение эффективности печати (разработка более мощных и многолазерных систем) и создание стандартизированной системы (стандарты материалов, спецификации процессов, стандарты тестирования).

По мере того, как производительность оборудования улучшается, а затраты на материалы снижаются, технология SLM из алюминиевых сплавов продемонстрирует свою уникальную ценность в более широком спектре областей применения и обеспечит ключевую техническую поддержку для облегченной трансформации обрабатывающей промышленности.