3D-печать алюминием: технологии, сплавы и применение

Введение

Алюминий — один из самых распространённых металлов на Земле. Он используется в производстве с начала XIX века. Сегодня это один из самых популярных материалов в промышленности. Из него делают банки, кухонную утварь и высокопроизводительные компоненты для самолётов. Неудивительно, что одно из направлений аддитивного производства является 3D-печать алюминием. В этой статье мы разберём технологии, сплавы и области применения.

Ключевые тезисы

• Алюминий ценится за превосходное соотношение прочности и веса.
• 3D-печать алюминием применяется в аэрокосмической и автомобильной отраслях.
• Основные технологии: SLM, DMLS, EBM, Binder Jetting, WAAM.
• Обычные сплавы 6061 и 7075 плохо поддавались печати из-за растрескивания.
• Специально разработанные сплавы решили многие проблемы печати.
• AlSi10Mg — самый распространённый алюминиевый сплав для аддитивного производства.
• Scalmalloy — высокопрочный материал с добавлением скандия.

Применение алюминия, напечатанного на 3D-принтере

Аэрокосмическая и автомобильная отрасли

Существует бесчисленное множество вариантов применения алюминиевых сплавов, напечатанных на 3D-принтере. Наиболее ценные из них используются в автомобильной и аэрокосмической промышленности. На протяжении десятилетий в этих отраслях применялся алюминий традиционного производства.

В аэрокосмической промышленности алюминиевые сплавы используются для изготовления крыльев и фюзеляжей самолётов. Также из них делают компоненты двигателей. В автомобильной промышленности алюминий применяется для кузовов, трансмиссий и деталей двигателей. Алюминий стал таким распространённым благодаря превосходному соотношению прочности и веса.

3D-печать открыла ещё больше возможностей в этих отраслях. Используя интеллектуальное генеративное проектирование, инженеры могут создавать оптимизированные компоненты. Они уменьшают вес, сохраняя при этом прочность.

Компания Divergent Technologies разработала суперкар, напечатанный на 3D-принтере. Она создала собственные алюминиевые сплавы для 3D-печати, которые использовались для производства компонентов системы безопасности и подвески. Американский автомобильный гигант Ford работает с аддитивным производством из алюминия в ещё больших масштабах. В сотрудничестве с ExOne компания Ford внедряет технологию струйной печати на связке алюминия. Это позволяет производить металлические детали в больших объёмах.

Другие области применения

Некоторые из самых прочных алюминиевых сплавов с превосходной коррозионной стойкостью находят применение в аэрокосмической промышленности. У алюминия более низкое соотношение прочности и веса, чем у титана. Но он значительно дешевле в качестве сырья. В сочетании с технологиями 3D-печати металлом алюминиевые сплавы используются для изготовления теплообменников. Они отличаются сложной геометрией и тонкими прочными стенками.

В 2021 году компания Boeing продемонстрировала успешное использование критически важного для полёта компонента. Это был корпус трансмиссии, напечатанный на 3D-принтере из алюминия. Он использовался на вертолёте Chinook. Технология аддитивного производства из алюминия также изучается в других сферах. Это промышленное производство, автоспорт, велоспорт, энергетика, робототехника и ювелирное дело. Она также подходит для создания прототипов и инструментов.

Преимущества и недостатки 3D-печати алюминием

Преимущества

В последние годы спрос и интерес к 3D-печати алюминием возросли. Алюминиевые сплавы обладают полезными свойствами. Они удовлетворяют потребности во многих сферах применения. Алюминий легче стали и сплавов на основе никеля. Но при этом обладает достаточной прочностью и твёрдостью. Алюминиевые сплавы также обладают хорошими термическими свойствами и устойчивостью к коррозии.

3D-печать даёт множество преимуществ по сравнению с традиционными процессами. Это обработка на станках с ЧПУ и формовка листового металла. Главное преимущество — большая свобода проектирования. Инженеры и дизайнеры могут создавать алюминиевые детали сложной формы. В том числе с решётками и внутренними каналами. Это оптимизирует производительность и вес готовых деталей.

Технологии 3D-печати металлом обеспечивают большую гибкость производства. Пользователи могут сократить время разработки деталей. Это достигается за счёт итераций, тестирования и корректировки дизайна. Можно производить небольшие или единичные партии. Также возможна массовая кастомизация. В зависимости от технологии 3D-печать алюминием обеспечивает высокую точность и жёсткие допуски без дополнительной обработки.

Ещё одно важное преимущество — объединение деталей. Сложные узлы, такие как теплообменники, обычно состоят из нескольких компонентов. Их можно преобразовать в единую более эффективную деталь. Это сократит время производства и сборки.

Недостатки

Естественно, у 3D-печати алюминием есть и недостатки. В зависимости от области применения могут быть более подходящие металлические сплавы. Например, титановые сплавы обладают лучшим соотношением прочности и веса. Поэтому они чаще используются в авиации. Алюминиевые сплавы для 3D-печати также не такие прочные, как сплавы на основе никеля или сталь. При этом алюминиевые сплавы дешевле титановых и легче стальных и никелевых материалов.

Пожалуй, самый большой недостаток связан с возможностью печати. К счастью, за последние годы были достигнуты значительные успехи. Сегодня существует множество высококачественных алюминиевых сплавов, специально разработанных для аддитивного производства.

На заре 3D-печати металлом алюминий создавал ряд проблем. Обычные алюминиевые сплавы, такие как 6061, 7075 и 2024, плохо поддавались плавлению в порошковом слое. Причина — их реакционная способность. Они были склонны к растрескиванию. Литьевые алюминиевые сплавы, такие как A357, проще поддаются печати. Но обрабатываются медленно и имеют нестабильные механические свойства. Это связано с плохой стабильностью расплава и поглощением энергии. К счастью, эти проблемы были решены или сведены к минимуму. Это стало возможным благодаря созданию специально разработанных алюминиевых сплавов и повышению качества порошка.

Как напечатать алюминий на 3D-принтере

Производство порошка

Первым этапом 3D-печати алюминия является производство металлического порошка. Большинство порошков из алюминиевых сплавов производятся методом газового распыления. Этот процесс позволяет получать частицы порошка с хорошей сферичностью. Это идеально подходит для аддитивного производства.

Характеристики и качество порошка играют важную роль. Они определяют, каким получится конечный 3D-печатный компонент. В процессах лазерной наплавки порошкового слоя сферичность и однородность частиц обеспечивают лучшую текучесть и плотность. Это приводит к более надёжным отпечаткам. Размер частиц порошка также измеряется в микронах.

Технологии 3D-печати алюминием

Существует несколько технологий 3D-печати металлом, которые можно использовать для печати изделий из алюминия.

Развитие Binder Jetting для алюминия

До недавнего времени струйная обработка связующим веществом была сложной задачей для алюминиевых сплавов. Эта технология становится всё более популярной благодаря скорости производства по сравнению с PBF. Также она позволяет использовать металлические порошки для литья под давлением (MIM). Они обычно дешевле, чем порошки для аддитивного производства.

Проблема заключалась в том, что алюминиевые сплавы не были широко адаптированы для MIM. Отчасти из-за их высокой реакционной способности. Только за последний год были достигнуты значительные успехи в струйной обработке алюминия. Компании ExOne и Ford разработали запатентованный процесс струйной обработки и спекания алюминия 6061. Это один из наиболее часто используемых сплавов. Компания Ricoh также разрабатывает технологию струйной обработки для алюминиевых сплавов. Компания Equispheres занимается разработкой порошков AlSi10Mg, специально предназначенных для струйной обработки.

Какие алюминиевые сплавы можно напечатать на 3D-принтере

Производители металлического порошка предлагают широкий ассортимент алюминиевых сплавов для 3D-печати. Эти материалы предназначены для различных целей и областей применения. Они обладают разными свойствами и профилями. Многие из доступных алюминиевых сплавов состоят из комбинации металлических и металлоидных элементов. Это алюминий, кремний, магний и даже медь.

Заключение

Алюминий ставит перед отраслью аддитивного производства сложные задачи. Но он же открывает невероятные возможности. Сегодня мы в режиме реального времени наблюдаем за развитием 3D-печати алюминием. Печатаются ранее «невозможные» сплавы, такие как 6061. Наконец-то реализована технология струйной печати для алюминиевых сплавов. Мы находимся в самом начале пути аддитивного производства алюминия. Наверняка мы увидим ещё больше удивительных способов применения этого материала. От автомобильной до аэрокосмической промышленности и не только.

Часто задаваемые вопросы

Какие технологии используются для 3D-печати алюминием?

Наиболее распространены SLM и DMLS. Также применяются EBM, Binder Jetting, WAAM и экструзия нитей с металлическим порошком.

Какой алюминиевый сплав самый популярный для 3D-печати?

AlSi10Mg — один из самых распространённых сплавов. Он обладает хорошей прочностью, ударной вязкостью и коррозионной стойкостью.

Почему обычные алюминиевые сплавы сложно печатать?

Сплавы 6061 и 7075 плохо поддаются плавлению в порошковом слое. Они склонны к растрескиванию из-за высокой реакционной способности.

Что такое Scalmalloy?

Это высокопрочный материал для 3D-печати. Он состоит из скандия, алюминия и магния. Прочнее традиционных алюминиевых сплавов. Обладает отличным соотношением прочности и веса.

Где применяется 3D-печать алюминием?

В аэрокосмической и автомобильной промышленности. Также в автоспорте, велоспорте, энергетике, робототехнике и ювелирном деле.