บทนำ: โอกาสของยุคของการผลิตสารเติมแต่งโลหะผสมอะลูมิเนียม
เนื่องจากเป็นหนึ่งในวัสดุโลหะน้ำหนักเบาที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย อลูมิเนียมอัลลอยด์จึงมีตำแหน่งที่ไม่สามารถทดแทนได้ในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ การผลิตรถยนต์ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และสาขาอื่นๆ กระบวนการหล่อและการตัดเฉือนแบบดั้งเดิมมีปัญหา เช่น การใช้วัสดุต่ำและเสรีภาพในการออกแบบที่จำกัด เทคโนโลยีการหลอมด้วยเลเซอร์แบบเลือกสรร (SLM) เปิดโอกาสใหม่สำหรับการผลิตชิ้นส่วนโลหะผสมอะลูมิเนียม เทคโนโลยี SLM สามารถบรรลุรูปทรงที่ซับซ้อนของรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อน ปรับปรุงการใช้วัสดุอย่างมีนัยสำคัญ และบรรลุการมีน้ำหนักเบามากผ่านการเพิ่มประสิทธิภาพโทโพโลยีและวิธีการออกแบบอื่นๆ
ระบบวัสดุโลหะผสมอะลูมิเนียม SLM และคุณลักษณะด้านประสิทธิภาพ
วัสดุโลหะผสมอะลูมิเนียมที่ใช้กันทั่วไปในกระบวนการ SLM ส่วนใหญ่ประกอบด้วย AlSi10Mg, Al6061, Al7075 และอะลูมิเนียมอัลลอยด์ที่มีความแข็งแรงสูงใหม่ AlSi10Mg เป็นวัสดุโลหะผสมอะลูมิเนียม SLM ที่เติบโตเต็มที่ โดยมีความลื่นไหลดีและมีความไวต่อรอยแตกร้าวจากความร้อนต่ำ ความต้านทานแรงดึงเมื่อพิมพ์สามารถสูงถึง 350-400MPa ซึ่งสามารถเพิ่มได้อีกเป็นมากกว่า 450MPa หลังจากการอบชุบด้วยความร้อน AlSi10Mg มีปริมาณซิลิกอนยูเทคติกสูง (ประมาณ 10%) ซึ่งก่อตัวเป็นอนุภาคซิลิคอนขนาดเล็กในระหว่างกระบวนการแข็งตัว ช่วยเพิ่มความแข็งแรงและความแข็งของวัสดุได้อย่างมีประสิทธิภาพ
เนื่องจากอลูมิเนียมอัลลอยด์ที่มีรูปทรงผิดปกติที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด Al6061 จึงพิมพ์ด้วย SLM ได้ยาก สาเหตุหลักก็คือ การสร้างระยะเสริมความแข็งแกร่งของ Mg2Si ในโลหะผสมนั้นต้องใช้กระบวนการบำบัดความร้อนที่เข้มงวด ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ด้วยการเพิ่มประสิทธิภาพพารามิเตอร์การพิมพ์และพัฒนาสูตรผงพิเศษ คุณภาพการพิมพ์ SLM ของ Al6061 ได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ และประสิทธิภาพการพิมพ์ใกล้เคียงกับระดับการประมวลผลแบบเดิม
ผลกระทบของพารามิเตอร์กระบวนการพิมพ์ที่มีต่อประสิทธิภาพของชิ้นส่วน
การเลือกพารามิเตอร์กระบวนการ SLM ส่งผลโดยตรงต่อความหนาแน่น คุณสมบัติทางกล และคุณภาพพื้นผิวของชิ้นส่วนโลหะผสมอะลูมิเนียม โดยทั่วไปกำลังเลเซอร์จะอยู่ในช่วง 200-400W และความเร็วในการสแกนอยู่ระหว่าง 800-1500 มม./วินาที พารามิเตอร์เฉพาะจำเป็นต้องได้รับการปรับให้เหมาะสมตามคุณลักษณะของอุปกรณ์และรูปทรงของชิ้นส่วน กำลังเลเซอร์ที่สูงขึ้นรวมกับความเร็วในการสแกนในระดับปานกลางสามารถทำให้ได้ความหนาแน่นที่สูงขึ้น (>99.5%) แต่การป้อนพลังงานที่สูงเกินไปอาจทำให้เกิดผลกระทบจากรูกุญแจและข้อบกพร่องของรูอากาศได้
วิธีการสแกนมีผลกระทบสำคัญต่อความเค้นตกค้างและการเสียรูปของชิ้นส่วน กลยุทธ์การสแกนที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ ตารางหมากรุก การสแกนแถบ และการสแกนแบบเกลียว สำหรับชิ้นส่วนขนาดใหญ่และซับซ้อน ขอแนะนำให้ใช้การสแกนแบบแบ่งส่วนร่วมกับการอุ่นพื้นผิวเพื่อลดความเค้นตกค้างอย่างมีประสิทธิภาพ การหมุนมุมสแกนระหว่างเลเยอร์ (เช่น การหมุน 67°) สามารถกำจัดแอนไอโซโทรปีของพื้นผิวที่สแกน และปรับปรุงประสิทธิภาพการทำงานที่สม่ำเสมอของชิ้นส่วน
กลยุทธ์การออกแบบโครงสร้างรองรับและการถอดออก
การออกแบบโครงสร้างรองรับของชิ้นส่วน SLM อะลูมิเนียมอัลลอยด์จำเป็นต้องพิจารณาการนำความร้อน การบรรเทาความเครียด และความสะดวกในการถอดอย่างครอบคลุม สำหรับคุณสมบัติที่มีมุมแขวนมากกว่า 45° จำเป็นต้องออกแบบโครงสร้างรองรับ โครงสร้างรองรับมักจะอยู่ในรูปแบบของบล็อก เส้น หรือกรวย และการออกแบบโครงสร้างฟันที่พื้นผิวสัมผัสจะส่งผลต่อความสามารถในการถอดส่วนรองรับได้ สำหรับโครงสร้างลูเมนที่ซับซ้อน สามารถใช้วัสดุรองรับที่ละลายน้ำได้ (เช่น อลูมิเนียมอัลลอยด์ + ส่วนรองรับคอมโพสิตเกลือ) หรือสามารถออกแบบส่วนรองรับแบบถอดได้
พื้นผิวที่เหลือหลังจากการถอดส่วนรองรับออกจำเป็นต้องมีขั้นตอนหลังการประมวลผล วิธีการที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ การกลึง การพ่นทราย การขัดด้วยไฟฟ้า ฯลฯ สำหรับชิ้นส่วนที่ต้องการรูปลักษณ์ภายนอกสูง ขอแนะนำให้สำรองค่าเผื่อการตัดเฉือน 0.3-0.5 มม. บนพื้นผิวสัมผัสของตัวรองรับ และได้พื้นผิวคุณภาพสูงผ่านการตัดเฉือน
กระบวนการบำบัดความร้อนและการปรับปรุงประสิทธิภาพ
กระบวนการบำบัดความร้อนของชิ้นส่วนอะลูมิเนียมอัลลอยด์ SLM เป็นส่วนสำคัญในการบรรลุประสิทธิภาพสูง กระบวนการบำบัดความร้อนมาตรฐานของ AlSi10Mg คือ: การอบอ่อน (300°C/2 ชั่วโมง) สามารถขจัดความเค้นตกค้างและเพิ่มการยืดตัวได้มากกว่า 12%; การบำบัดอายุด้วยสารละลายของแข็ง (530°C/6h+160°C/7h) สามารถเพิ่มความแข็งแรงได้มากกว่า 450MPa การรักษาด้วยการกดทับด้วยความร้อน (HIP) สามารถขจัดรูขุมขนภายในและปรับปรุงประสิทธิภาพความเมื่อยล้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ
สำหรับ Al6061 แนะนำให้ใช้กระบวนการอบชุบด้วยความร้อน T6: การบำบัดด้วยสารละลาย (530°C/1 ชั่วโมง) + การบ่มโดยวิธีธรรมชาติ (160°C/18 ชั่วโมง) เพื่อให้ได้คุณสมบัติทางกลที่ครอบคลุมที่สุด ควรสังเกตว่าโครงสร้างจุลภาคของชิ้นส่วนที่พิมพ์ด้วย SLM นั้นแตกต่างจากชิ้นส่วนที่ผ่านการแปรรูปแบบดั้งเดิม และจำเป็นต้องปรับพารามิเตอร์การรักษาความร้อนให้เหมาะสมตามนั้น
กรณีการใช้งานในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศและยานยนต์
ในด้านการบินและอวกาศ ชิ้นส่วน SLM อะลูมิเนียมอัลลอยด์ถูกนำมาใช้ในชิ้นส่วนโครงสร้างดาวเทียม ตัวยึดเครื่องยนต์ ตัวยึดอุปกรณ์ในห้องโดยสาร ฯลฯ เครื่องบินโดยสาร A350 ของ Airbus ใช้ตัวยึดในห้องโดยสารที่ผลิตโดย SLM ซึ่งช่วยลดน้ำหนักลง 30% และทำให้วงจรการผลิตสั้นลง 60% เครื่องยนต์ Raptor ของ SpaceX ใช้ท่อร่วมเชื้อเพลิงอะลูมิเนียมอัลลอยด์ SLM เพื่อให้ได้การออกแบบช่องการไหลที่ซับซ้อนแบบบูรณาการ
ในอุตสาหกรรมยานยนต์ เทคโนโลยี SLM อะลูมิเนียมอัลลอยด์ใช้เป็นหลักในการผลิตชิ้นส่วนที่ปรับแต่งสำหรับรถแข่งสมรรถนะสูงและรุ่นหรูหรา Porsche 911 GT2 RS ใช้ท่อร่วมไอเสียอลูมิเนียมอัลลอยด์ที่ผลิตโดย SLM ซึ่งช่วยลดน้ำหนักลง 40% และปรับปรุงประสิทธิภาพอย่างมาก รถสปอร์ตไฮบริด BMW i8 ใช้โครงหลังคาแบบอ่อนอะลูมิเนียมอัลลอยด์ SLM เพื่อให้ได้การผสมผสานที่ลงตัวระหว่างน้ำหนักเบาและบูรณาการการใช้งาน
การควบคุมคุณภาพและวิธีการทดสอบ
การควบคุมคุณภาพของชิ้นส่วน SLM อะลูมิเนียมอัลลอยด์ครอบคลุมสามด้าน: คุณภาพผง กระบวนการพิมพ์ และการทดสอบผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป จำเป็นต้องทดสอบคุณภาพผงสำหรับการกระจายขนาดอนุภาค (D50: 30-50μm) ปริมาณออกซิเจน (500 มม.) ความท้าทายหลักที่ต้องเผชิญคือ การลดต้นทุนวัสดุ (ราคาผงเป็นปัญหาคอขวดหลักในปัจจุบัน) การปรับปรุงประสิทธิภาพการพิมพ์ (การพัฒนาระบบลำแสงเลเซอร์หลายตัวที่สูงขึ้น) และการสร้างระบบที่ได้มาตรฐาน (มาตรฐานวัสดุ ข้อกำหนดกระบวนการ มาตรฐานการทดสอบ)
ในขณะที่ประสิทธิภาพของอุปกรณ์ดีขึ้นและต้นทุนวัสดุลดลง เทคโนโลยี SLM โลหะผสมอะลูมิเนียมจะแสดงให้เห็นคุณค่าที่เป็นเอกลักษณ์ในขอบเขตการใช้งานที่กว้างขึ้น และให้การสนับสนุนทางเทคนิคที่สำคัญสำหรับการเปลี่ยนแปลงน้ำหนักเบาของอุตสาหกรรมการผลิต
ส่งโมเดล แบบแปลน รูปภาพ หรือบันทึกเป็นลายลักษณ์อักษร วิศวกรจะตรวจสอบวัสดุ กระบวนการ การตกแต่ง และการส่งมอบตามการใช้งานจริง