A 3D nyomtatás (más néven additív gyártás) digitális modellekből állít elő alkatrészeket az építőanyagok rétegenkénti módszerével. A 3D nyomtatást széles körben használják polimerek, fémek, beton és hidrogélek előállítására. A Metal AM sokféle fémet képes előállítani, de az alumínium AM-et kifejezetten a repülőgépipar és az autóipar számára használják alkatrészek fejlesztésére.
Különösen a fémadalékos gyártás kapott nagy figyelmet a hagyományos gyártási módszerekkel, például az öntéssel, alakítással és megmunkálással szembeni előnyei miatt.
A fémadalékok gyártását a repülőgépiparban, az olaj- és gáziparban, a tengeri és az autóiparban használják olyan előnyök miatt, mint az alkatrészek tervezési szabadsága, az alkatrészek összetettsége, könnyű súlya, az alkatrészek integrálása és a funkcionális tervezés. Ezen túlmenően az additív gyártás egy szerszám nélküli gyártási technika, amellyel rövidebb idő alatt, nagy pontossággal lehet teljesen sűrű fémtárgyakat előállítani.
Az alumínium 3D nyomtatásában használt módszerek
A Laser Powder Bed Fusion (LPBF) eljárás alumínium 3D-nyomtatására magasabb felületi minőséggel és nagy pontossággal. A folyamat az anyag helyi megolvasztásával kezdődik egy erős lézerrel, amely aztán egy folyamatos megszilárdult fémréteget képez. Ennél a technikánál az anyag- és alkatrésztartó egyszerre jön létre, és az alumínium alapú ötvözet tulajdonságai alapján a folyamat paraméterei módosíthatók a porozitás, a mikrostruktúra és a végső anyagtulajdonságok hangolása érdekében.
Az elektronsugaras porágyas fúzió az LPBF-hez hasonló módszer, amelyben elektronsugarat használnak fémporok megszilárdítására. Az elektronsugár magas feldolgozási hőmérséklete miatt a 3D nyomtatott rész egyrétegű rétege fokozatosan lehűl, ami az LPBF-hez képest durvább mikrostruktúrát eredményez.
Az AlSi10Mg egy alumíniumötvözet, amelyet általánosan használnak az alumínium ipari 3D nyomtatásához. Előnyei a nagy szilárdság, szívósság, dinamikus tömeg, jobb termikus tulajdonságok és építhetőség.
Az AlSi7Mg egy másik nagy szilárdságú acélötvözet, amelyet szerkezeti elemekben használnak a repülőgépiparban, a védelemben és az autóiparban. A 3D nyomtatott AlSi7Mg fő előnyei a könnyű súlya, a korrózióállósága és a nagy dinamikus teherbíró képessége.
Ezenkívül bizonyos tanulmányok bebizonyították az Al6061 és Al7075 sikeres nyomtatását, amelyeket korábban összeegyeztethetetlennek tartottak a fémadalékos gyártási módszerekkel.
Az alumínium 3D nyomtatásának legújabb kutatása
A Ceramics folyóiratban nemrég megjelent tanulmányban kínai kutatók alumínium-foszfáthoz kötött Al2O3 kerámiákat nyomtattak közvetlen tintával. Fő megállapításuk az volt, hogy az Al2O3 kerámiák rendkívül kis dimenziós zsugorodást mutattak a szervetlen kötőanyagok hozzáadása miatt.
A legújabb kutatások 3D-nyomtatott alumínium kompozit szendvicsszerkezeteket tártak fel a repülőgépipar számára. A kompozit szendvicsszerkezetek 3D nyomtatása javíthatja a fenntarthatóságot és a gyártási rugalmasságot a repülőgépiparban.
A nanoanyagok alumíniumhoz való hozzáadása a fém 3D nyomtatás legújabb kutatási témája is. A nanoanyagok javították a 3D nyomtatott alumínium mechanikai és termikus tulajdonságait, a 3D nyomtatási folyamat során a nanorészecskék összeolvadása pedig javította a 3D nyomtatott alumínium teljesítményét.
Az alumínium 3D nyomtatás előnyei
Az alumínium 3D nyomtatás előnye, hogy az alumínium mechanikai tulajdonságai megváltoztathatók a mikrostruktúra és a belső erőeloszlás változtatásával. Az alumínium 3D nyomtatással kapcsolatos kutatások anyagmegtakarítást is kimutattak a hagyományos módszerekhez képest. A fémadalékos gyártást alkalmazó csúcstechnológiás iparágak az összetett alkatrészek gyorsabb gyártását, nagyobb anyagszilárdságot és rugalmassági előnyöket mutattak be a hagyományos módszerekhez képest.
Az alumínium adalékos gyártás olyan magasan optimalizált szerkezetek előállítását is lehetővé teszi, amelyeket egyébként költséges, időigényes, vagy akár lehetetlen lenne hagyományos gyártási módszerekkel előállítani. Ezenkívül a 3D-nyomtatott alumínium alkatrészek más alkatrészekkel együtt használhatók hibrid szerkezetek létrehozására.
Alumínium 3D nyomtatással energiaelnyelő tulajdonságú és belső megerősítő tulajdonságú szerkezeti elemek is készíthetők. Továbbá a szerkezeti alkalmazásokban keletkező nem kívánt maradó feszültségek kedvező előfeszítésekké alakíthatók.
Az alumínium 3D nyomtatás kihívásai és jövőbeli hatóköre
Továbbra is jelentős kihívások állnak az alumínium 3D-nyomtatásban számos ipari alkalmazásban. Egyes esetekben az alumínium 3D nyomtatása drágább, mint a hagyományos gyártási módszerek. A fém 3D nyomtatásban a meglévő tervezési módszereket módosítani kell, hogy alkalmazkodjanak az anyagtulajdonságok és a változó geometriák változásaihoz.
A fémadalékok gyártási technológiáját egységesebbé kell tenni, és új minőségbiztosítási eljárásokat kell bevezetni annak érdekében, hogy a gyártott alkatrészek megbízhatóak legyenek életciklusuk során. Mindaddig, amíg ezekkel a műszaki és ipari kihívásokkal foglalkozunk, az alumínium 3D-nyomtatásban számos alkalmazási lehetőség rejlik a különböző iparágakban.