Stopy aluminium do druku 3D oferują kilka korzystnych właściwości, takich jak wysoki stosunek wytrzymałości do masy, doskonała przewodność cieplna i odporność na korozję, co czyni je odpowiednimi materiałami do zastosowań w druku 3D w przemyśle motoryzacyjnym, lotniczym, dóbr konsumpcyjnych i innych.
Selektywne topienie laserowe (SLM) i bezpośrednie spiekanie laserowe metali (DMLS) to podstawowe procesy druku 3D stosowane w przypadku proszków ze stopów aluminium. Cząsteczki proszku są stapiane ze sobą warstwa po warstwie za pomocą lasera o dużej mocy w celu skonstruowania złożonych i konfigurowalnych geometrii komponentów.
Rodzaje Stopy aluminium do druku 3D
| Stop | Skład | Proces drukowania | Właściwości | Zastosowania |
|---|---|---|---|---|
| AlSi10Mg | Aluminium (Al) + Krzem (Si) (10%) + Magnez (Mg) | Laserowa fuzja proszkowa (LPBF) | - Dobra równowaga między wytrzymałością, plastycznością i ciągliwością - Doskonała spawalność - Utwardzanie wydzieleniowe dla zwiększenia wytrzymałości | - Komponenty lotnicze (lekkie konstrukcje) - Części samochodowe (wsporniki, elementy silnika) - Opakowania elektroniczne |
| AlSi7Mg (F357) | Aluminium (Al) + Krzem (Si) (7%) + Magnez (Mg) | LPBF | - Podobne właściwości do AlSi10Mg, ale nieco niższa wytrzymałość - Łatwiejsze drukowanie ze względu na niższą temperaturę topnienia | - Aplikacje ogólnego przeznaczenia wymagające dobrego stosunku wytrzymałości do masy - Komponenty do transportu płynów - Wsporniki i obudowy |
| Al2139 | Aluminium (Al) + Miedź (Cu) (4%) + Magnez (Mg) | LPBF | - Wysoka wytrzymałość i odporność na zmęczenie materiału - Dobra skrawalność | - Komponenty lotnicze i kosmiczne wymagające wysokiej wytrzymałości - Części samochodowe (elementy zawieszenia) |
| 6061 | Aluminium (Al) + Magnez (Mg) (0.9%) + Krzem (Si) (0.6%) + Miedź (Cu) (0.3%) | LPBF (ograniczony), Binder Jetting (BJ) | - Doskonała odporność na korozję - Dobra obrabialność i spawalność - Umiarkowana wytrzymałość | - Prototypy i części funkcjonalne wymagające dobrych właściwości - Elementy architektoniczne - Radiatory |
| 7075 | Aluminium (Al) + Cynk (Zn) (5.6%) + Magnez (Mg) (2.5%) + Miedź (Cu) (1.6%) | LPBF (ograniczone), topienie wiązką elektronów (EBM) | - Bardzo wysoki stosunek wytrzymałości do masy - Doskonała odporność na ścieranie - Niespawalny | - Komponenty lotnicze wymagające wysokiej wytrzymałości i niskiej wagi - Artykuły sportowe (ramy rowerowe, kije baseballowe) |
| Scalmalloy | Aluminium (Al) + skand (Sc) (4%) + magnez (Mg) (6%) | LPBF | - Wyjątkowy stosunek wytrzymałości do masy, przekraczający 7075 - Doskonała odporność na korozję - Wysoka odporność na pęknięcia | - Wysokowydajne komponenty lotnicze i kosmiczne - Zastosowania obronne wymagające lekkiego opancerzenia |
Skład Stopy aluminium do druku 3D
| Oznaczenie stopu | Podstawowe pierwiastki stopowe | Dodatkowe elementy | Właściwości | Zastosowania |
|---|---|---|---|---|
| AlSi10Mg | Krzem (10%) | Magnez (0,3-0,5%) | * Doskonała odlewalność (dostosowana do zastosowań odlewniczych) * Dobra spawalność * Wysoka wytrzymałość i ciągliwość * Dobra odporność na korozję | * Aplikacje ogólnego przeznaczenia * Komponenty motoryzacyjne * Komponenty lotnicze (niekrytyczne) * Wsporniki i obudowy. |
| AlSi7Mg (F357) | Krzem (7%) | Magnez (0,3-0,5%) | * Podobne właściwości do AlSi10Mg, ale nieco niższa wytrzymałość * Doskonała odlewalność * Dobra spawalność * Dobra odporność na korozję | * Podobne zastosowania jak w przypadku AlSi10Mg, często używane, gdy wymagana jest nieco niższa waga * Elementy silnika * Elementy obsługi płynów |
| AlSi12 | Krzem (12%) | * Wysoka wytrzymałość i odporność na zużycie * Dobra odlewalność * Umiarkowana spawalność * Niższa odporność na korozję w porównaniu do AlSi10Mg i F357 | * Płyty ścieralne * Koła zębate * Odlewy piaskowe (często używane jako punkt wyjścia dla części drukowanych w 3D ze względu na znajomość materiału). | |
| Scalmalloy | Scandium (4.0-4.4%) | Magnez (0,3-0,5%) | * Wyjątkowy stosunek wytrzymałości do masy * Doskonała odporność na korozję * Dobra spawalność * Wymaga obróbki cieplnej w celu uzyskania optymalnych właściwości | * Komponenty lotnicze i kosmiczne (wysoka wydajność) * Komponenty motoryzacyjne (krytyczna waga) * Zastosowania obronne |
| EOS Aluminium Al2139 AM | Nie ujawniono publicznie (prawdopodobnie aluminium-magnez-krzem) | * Dobra wytrzymałość w podwyższonych temperaturach (do 200°C) * Lepsza przetwarzalność w porównaniu do standardowych stopów odlewniczych * Wymaga obróbki cieplnej w celu uzyskania optymalnych właściwości | * Komponenty lotnicze wymagające wysokiej temperatury * Komponenty motoryzacyjne * Komponenty wymienników ciepła |
Charakterystyka aluminium do druku 3D
| Atrybut | Szczegóły |
|---|---|
| Wykończenie powierzchni | Adhezja proszku może pozostawić pół-szorstki, schodkowy profil powierzchni |
| Dokładność | Ogólnie możliwa jest wysoka dokładność wymiarowa do ±0,1%. |
| Anizotropia | Zaobserwowano kierunkowo słabsze właściwości mechaniczne |
| Porowatość | Porowatość <1% osiągnięta przy zoptymalizowanych parametrach SLM |
| Elastyczność stopu | Możliwość drukowania wielu klas 2xxx, 5xxx, 6xxx i 7xxx |
Zastosowania Stopy aluminium do druku 3D
| Przemysł | Typowe zastosowania |
|---|---|
| Lotnictwo i kosmonautyka | Przewody lotnicze, wymienniki ciepła, wsporniki konstrukcyjne |
| Motoryzacja | Niestandardowe wsporniki, podpory, radiatory, oprzyrządowanie |
| Architektura | Lekkie panele, dekoracyjne kraty, małe rzeźby |
| Medyczny | Oprogramowanie układowe, takie jak narzędzia chirurgiczne, implanty |
| Elektronika | Urządzenia rozpraszające ciepło, takie jak radiatory |
| Obrona | Niskonakładowe części o skróconym czasie realizacji |
Specyfikacje proszku aluminiowego dla produkcji addytywnej
| Parametr | Typ/zakres |
|---|---|
| Materiały | AlSi10Mg, AlSi7Mg0.6, AlSi12, AlSi9Cu3 |
| Wielkość cząstek | 25 do 65 mikronów |
| Kształt cząsteczki | Głównie sferyczne, niektóre satelity dozwolone |
| Gęstość pozorna | Około 2,67 g/cc |
| Natężenie przepływu | <30 s/50 g zgodnie z ASTM B964 |
| Tlen resztkowy | <0,4% dla wysokiej wytrzymałości na rozciąganie |
Wiodący dostawcy Stopy aluminium do druku 3D
| Dostawca | Specjalność | Kluczowe produkty | Zastosowania | Usługi dodatkowe |
|---|---|---|---|---|
| Elementum 3D | Innowacyjne proszki | Atomizowane gazowo proszki stopów aluminium, w tym warianty tradycyjne i wzmacniane dyspersyjnie | Przemysł lotniczy, motoryzacyjny, obronny | Rozwój materiałów, inżynieria aplikacji, optymalizacja parametrów drukowania |
| APWorks | Wysokowydajne stopy | Skalowalny stop aluminiowo-krzemowo-magnezowy (AlSiMg) do topienia wiązką laserową (LBM) | Części samochodowe, robotyka, maszyny przemysłowe | Doradztwo w zakresie projektowania na potrzeby wytwarzania przyrostowego (DFAM), usługi przetwarzania końcowego |
| SLM Solutions | Założony producent | Stopy aluminium zoptymalizowane pod kątem procesu selektywnego topienia laserowego (SLM), w tym AlSi10Mg i Scalmalloy | Implanty medyczne, komponenty lotnicze i kosmiczne, wymienniki ciepła | Sprzedaż i wsparcie maszyn, opracowywanie parametrów dla określonych stopów |
| EOS GmbH | Kompatybilność z wieloma procesami | Stopy aluminium kompatybilne z technologiami topienia wiązką laserową (LBM) i elektronową (EBM) | Części lotnicze, elektronika użytkowa, urządzenia medyczne | Doradztwo w zakresie doboru maszyn i optymalizacji procesów, programy szkoleniowe |
| Höganäs | Wiedza specjalistyczna w zakresie proszków metali | Atomizowane gazowo proszki aluminium o ścisłej kontroli rozmiaru i morfologii | Wymienniki ciepła, komponenty motoryzacyjne, obudowy elektroniczne | Charakteryzacja i testowanie proszków, współpraca przy opracowywaniu nowych stopów |
| Royal Alloy | Zróżnicowane portfolio stopów | Szeroka gama proszków stopów aluminium, w tym dodatki skandu i litu dla zwiększenia wydajności. | Komponenty lotnicze i kosmiczne, zastosowania obronne, wysokowydajne radiatory | Wskazówki dotyczące wyboru materiałów, testy drukowalności, opracowywanie niestandardowych proszków |
| Norsk Hydro | Zrównoważona produkcja | Proszki ze stopów aluminium produkowane z naciskiem na minimalny wpływ na środowisko | Części samochodowe, komponenty architektoniczne, elektronika użytkowa | Dane dotyczące oceny cyklu życia (LCA) materiałów, wsparcie dla zrównoważonych praktyk produkcyjnych |
| ExOne | Technologia rozpylania spoiwa | Stopy aluminium opracowane specjalnie do produkcji dodatków uszlachetniających metodą strumieniowania spoiwa (BJAM) | Prototypy samochodowe, formy odlewnicze, oprzyrządowanie przemysłowe | Usługi projektowania na potrzeby produkcji addytywnej (DFAM), wiedza specjalistyczna w zakresie obróbki końcowej części BJAM |
| DMG Mori Seiki | Zintegrowane rozwiązania | Proszki ze stopów aluminium wraz z kompatybilnymi drukarkami 3D do metalu | Oprzyrządowanie i formy, implanty medyczne, komponenty lotnicze i kosmiczne | Sprzedaż i serwis maszyn, szkolenia w zakresie procesów produkcji dodatków metalowych |
| Produkcja addytywna Carpenter | Stopy specjalne | Stopy aluminium o wysokim stosunku wytrzymałości do masy i zwiększonej odporności na korozję | Komponenty morskie, sprzęt naftowy i gazowy, zastosowania w przetwórstwie chemicznym | Wsparcie przy wyborze materiałów, usługi inżynierii aplikacji, pomoc przy prototypowaniu |
Plusy i minusy aluminium drukowanego w 3D
| Cecha | Plusy | Wady |
|---|---|---|
| Swoboda projektowania |
Niezrównana złożoność: Umożliwia tworzenie skomplikowanych struktur kratowych, kanałów wewnętrznych i lekkich elementów niemożliwych do uzyskania tradycyjnymi metodami. Umożliwia projektantom przekraczanie granic i tworzenie wysokowydajnych części. Szybkie prototypowanie: Umożliwia szybką iterację i testowanie projektów, skracając czas i koszty rozwoju. |
Struktury wsparcia: Złożone geometrie często wymagają skomplikowanych struktur nośnych, co wydłuża czas przetwarzania końcowego i potencjalnie tworzy niepożądane tekstury powierzchni. |
| Właściwości materiału |
Doskonały stosunek wytrzymałości do wagi: Aluminium oferuje dobrą równowagę między wagą i wytrzymałością, dzięki czemu idealnie nadaje się do zastosowań takich jak przemysł lotniczy i motoryzacyjny, gdzie redukcja wagi ma kluczowe znaczenie. Odporność na korozję: Wiele stopów aluminium może pochwalić się doskonałą odpornością na korozję, co jest szczególnie cenne w przypadku części narażonych na trudne warunki środowiskowe. |
Anizotropia: Warstwowy charakter druku 3D może prowadzić do właściwości anizotropowych, co oznacza, że wytrzymałość materiału może się różnić w zależności od kierunku drukowania. Może to wymagać dostosowania projektu do niektórych zastosowań. Porowatość: W zależności od procesu drukowania, w materiale mogą występować małe puste przestrzenie lub pory, potencjalnie wpływające na właściwości mechaniczne. Techniki przetwarzania końcowego, takie jak prasowanie izostatyczne na gorąco (HIP), mogą to złagodzić. |
| Produkcja |
Skrócony czas realizacji: Druk 3D pozwala na produkcję na żądanie, eliminując potrzebę skomplikowanego oprzyrządowania i minimalizując czas realizacji prototypów lub części o małej objętości. Minimalna ilość odpadów materiałowych: Addytywny charakter druku 3D znacznie zmniejsza ilość odpadów materiałowych w porównaniu z tradycyjnymi metodami produkcji subtraktywnej. |
Wysoki koszt: Technologia i sprzęt do druku 3D aluminium są nadal stosunkowo drogie, co sprawia, że jest to mniej opłacalne w przypadku produkcji wielkoseryjnej w porównaniu z tradycyjnymi metodami. Czas budowy: Drukowanie złożonych części metalowych może być czasochłonne, wpływając na ogólną szybkość produkcji. |
| Przetwarzanie końcowe |
Wykończenie powierzchni: Podczas gdy niektóre technologie druku 3D oferują dobre wykończenie powierzchni, chropowatość jest częstym problemem. W przypadku niektórych zastosowań konieczne może być zastosowanie technik obróbki końcowej, takich jak obróbka skrawaniem, polerowanie lub piaskowanie. Obróbka cieplna: Określone stopy aluminium mogą wymagać obróbki cieplnej po wydrukowaniu w celu uzyskania optymalnych właściwości mechanicznych. |
Dodatkowy koszt i czas: Obróbka końcowa zwiększa całkowity czas produkcji i koszt części. |
| Zastosowania |
Aerospace: Możliwość tworzenia lekkich, wysokowytrzymałych komponentów o złożonej geometrii sprawia, że drukowane w 3D aluminium jest idealne do zastosowań lotniczych, takich jak wymienniki ciepła, wsporniki i elementy konstrukcyjne. Motoryzacja: Redukcja wagi jest głównym problemem w przemyśle motoryzacyjnym. Drukowane w 3D komponenty aluminiowe mogą być wykorzystywane do produkcji części takich jak koła, elementy silnika i lekkie konstrukcje podwozia. Medyczne: Biokompatybilne stopy aluminium mogą być wykorzystywane do tworzenia niestandardowych protez i implantów. |
Ograniczone zastosowania dla komponentów poddawanych wysokim obciążeniom: Ze względu na potencjalną anizotropię i porowatość, aluminium drukowane w 3D może nie nadawać się do wszystkich zastosowań, w których występują duże obciążenia. Kluczowe znaczenie ma staranny projekt i dobór materiału. |
FAQ
P: Który stop aluminium najlepiej nadaje się do produkcji addytywnej?
AlSi10Mg jest najczęściej stosowanym stopem aluminium oferującym dobre połączenie płynności, wytrzymałości, twardości i odporności na korozję w połączeniu z kompatybilnością z różnymi drukarkami.
P: Czy orientacja wydruku wpływa na właściwości drukowanych w 3D komponentów aluminiowych?
O: Tak, budowanie w pionie może wykazywać 20-30% niższą wytrzymałość na rozciąganie i granicę plastyczności w porównaniu z częściami budowanymi poziomo ze względu na konstrukcję warstwa po warstwie. Wydajność mechaniczna różni się również w zależności od obciążenia równoległego lub prostopadłego do warstw.
P: Jakie rozwiązania obróbki cieplnej mogą poprawić właściwości aluminium?
O: Obróbka cieplna T6 (rozpuszczanie, a następnie sztuczne utwardzanie starzeniowe) niektórych stopów wytwarzanych addytywnie, takich jak AlSi10Mg, może znacznie zwiększyć wytrzymałość na rozciąganie, twardość i ciągliwość w porównaniu ze stanem fabrycznym.
P: W jaki sposób ulepsza się wykończenie powierzchni części aluminiowych wytwarzanych addytywnie?
O: Różne procedury wykończeniowe, takie jak piaskowanie, śrutowanie, polerowanie laserowe, obróbka CNC, szlifowanie lub liniowanie mogą pomóc wygładzić schodkowe kontury zwykle obserwowane na gotowych powierzchniach aluminiowych z druku proszkowego.
P: Czy ponowne użycie proszku aluminiowego wpływa na właściwości drukowanych części 3D?
Recykling proszku aluminiowego do 10-20 razy zazwyczaj nie wpływa na wydajność mechaniczną. Jednak po około 25 cyklach ponownego użycia, zmniejszająca się płynność proszku, niższa gęstość i wyższe zanieczyszczenia tlenem/azotkami mogą zacząć pogarszać jakość i wytrzymałość materiału.
