Η τρισδιάστατη εκτύπωση (γνωστή και ως κατασκευή πρόσθετων) παράγει εξαρτήματα από ψηφιακά μοντέλα χρησιμοποιώντας μια μέθοδο δομικών υλικών στρώμα-προς-στρώμα. Η τρισδιάστατη εκτύπωση χρησιμοποιείται ευρέως για την παραγωγή πολυμερών, μετάλλων, σκυροδέματος και υδρογέλης. Η Metal AM μπορεί να παράγει μια μεγάλη ποικιλία μετάλλων, αλλά το αλουμίνιο AM χρησιμοποιείται για την ανάπτυξη εξαρτημάτων ειδικά για την αεροδιαστημική και την αυτοκινητοβιομηχανία.
Συγκεκριμένα, η κατασκευή πρόσθετων μετάλλων έχει λάβει μεγάλη προσοχή λόγω των πλεονεκτημάτων της έναντι των παραδοσιακών μεθόδων κατασκευής όπως η χύτευση, η μορφοποίηση και η μηχανική κατεργασία.
Η κατασκευή πρόσθετων μετάλλων χρησιμοποιείται στην αεροδιαστημική βιομηχανία, το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο, τη ναυτιλία και την αυτοκινητοβιομηχανία λόγω πλεονεκτημάτων όπως η ελευθερία σχεδιασμού εξαρτημάτων, η πολυπλοκότητα του εξαρτήματος, το ελαφρύ, η ενσωμάτωση εξαρτημάτων και ο λειτουργικός σχεδιασμός. Επιπλέον, η κατασκευή προσθέτων είναι μια τεχνική κατασκευής χωρίς εργαλεία που μπορεί να παράγει πλήρως πυκνά μεταλλικά αντικείμενα με υψηλή ακρίβεια σε λιγότερο χρόνο.
Μέθοδοι που χρησιμοποιούνται στην τρισδιάστατη εκτύπωση αλουμινίου
Το Laser Powder Bed Fusion (LPBF) είναι μια μέθοδος για τρισδιάστατη εκτύπωση αλουμινίου με υψηλότερο φινίρισμα επιφάνειας και υψηλή ακρίβεια. Η διαδικασία ξεκινά με τοπική τήξη του υλικού χρησιμοποιώντας ένα ισχυρό λέιζερ, το οποίο στη συνέχεια σχηματίζει ένα συνεχές στρώμα στερεοποιημένου μετάλλου. Σε αυτήν την τεχνική, το υλικό και η υποστήριξη εξαρτημάτων παράγονται ταυτόχρονα και με βάση τις ιδιότητες του κράματος με βάση το αλουμίνιο, οι παράμετροι της διαδικασίας μπορούν να τροποποιηθούν για να συντονιστούν το πορώδες, η μικροδομή και οι ιδιότητες του τελικού υλικού.
Η σύντηξη κλίνης σκόνης δέσμης ηλεκτρονίων είναι μια μέθοδος παρόμοια με την LPBF στην οποία χρησιμοποιείται μια δέσμη ηλεκτρονίων για τη στερεοποίηση μεταλλικών σκονών. Λόγω της υψηλής θερμοκρασίας επεξεργασίας της δέσμης ηλεκτρονίων, η μονοστιβάδα του 3D εκτυπωμένου τμήματος ψύχεται σταδιακά, με αποτέλεσμα μια πιο τραχιά μικροδομή σε σύγκριση με το LPBF.
Το AlSi10Mg είναι ένα κράμα αλουμινίου που χρησιμοποιείται συνήθως σε βιομηχανικές εφαρμογές αλουμινίου εκτύπωσης 3D. Τα πλεονεκτήματά του είναι η υψηλή αντοχή, η σκληρότητα, η δυναμική μάζα, οι βελτιωμένες θερμικές ιδιότητες και η κατασκευαστικότητα.
Το AlSi7Mg είναι ένα άλλο κράμα χάλυβα υψηλής αντοχής που χρησιμοποιείται σε δομικά εξαρτήματα στην αεροδιαστημική, την άμυνα και την αυτοκινητοβιομηχανία. Τα κύρια πλεονεκτήματα του τρισδιάστατου εκτυπωμένου AlSi7Mg είναι το ελαφρύ, η αντοχή στη διάβρωση και η υψηλή δυναμική ικανότητα μεταφοράς φορτίου.
Επιπλέον, ορισμένες μελέτες έχουν καταδείξει την επιτυχή εκτύπωση των Al6061 και Al7075, τα οποία προηγουμένως θεωρούνταν ασυμβίβαστα με μεθόδους κατασκευής πρόσθετων μετάλλων.
Η τελευταία έρευνα στην τρισδιάστατη εκτύπωση αλουμινίου
Σε μια πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Ceramics, ερευνητές στην Κίνα εκτύπωσαν κεραμικά Al2O3 συνδεδεμένα με φωσφορικό αλουμίνιο χρησιμοποιώντας μια μέθοδο άμεσης γραφής με μελάνι. Το βασικό τους εύρημα ήταν ότι τα κεραμικά Al2O3 εμφάνισαν εξαιρετικά χαμηλή διαστασιακή συρρίκνωση λόγω της προσθήκης ανόργανων συνδετικών.
Πρόσφατη έρευνα έχει εξερευνήσει τρισδιάστατες εκτυπωμένες σύνθετες δομές σάντουιτς αλουμινίου για την αεροδιαστημική βιομηχανία. Η τρισδιάστατη εκτύπωση σύνθετων δομών σάντουιτς μπορεί να βελτιώσει τη βιωσιμότητα και την ευελιξία της κατασκευής στην αεροδιαστημική βιομηχανία.
Η προσθήκη νανοϋλικών στο αλουμίνιο είναι επίσης το πιο πρόσφατο ερευνητικό θέμα στην τρισδιάστατη εκτύπωση μετάλλων. Τα νανοϋλικά βελτίωσαν τις μηχανικές και θερμικές ιδιότητες του τρισδιάστατου εκτυπωμένου αλουμινίου και η σύντηξη νανοσωματιδίων κατά τη διαδικασία της τρισδιάστατης εκτύπωσης βελτίωσε την απόδοση του 3D εκτυπωμένου αλουμινίου.
Πλεονεκτήματα της τρισδιάστατης εκτύπωσης αλουμινίου
Το πλεονέκτημα της τρισδιάστατης εκτύπωσης αλουμινίου είναι ότι οι μηχανικές ιδιότητες του αλουμινίου μπορούν να αλλάξουν αλλάζοντας τη μικροδομή και την εσωτερική κατανομή δύναμης. Η έρευνα για την τρισδιάστατη εκτύπωση από αλουμίνιο έχει επίσης δείξει εξοικονόμηση υλικών σε σύγκριση με τις παραδοσιακές μεθόδους. Οι βιομηχανίες υψηλής τεχνολογίας που χρησιμοποιούν την κατασκευή πρόσθετων μετάλλων έχουν επιδείξει ταχύτερη κατασκευή σύνθετων εξαρτημάτων, υψηλότερη αντοχή υλικού και πλεονεκτήματα ολκιμότητας σε σύγκριση με τις παραδοσιακές μεθόδους.
Η κατασκευή πρόσθετων αλουμινίου επιτρέπει επίσης την παραγωγή εξαιρετικά βελτιστοποιημένων δομών που διαφορετικά θα ήταν δαπανηρές, χρονοβόρες ή ακόμη και αδύνατες να κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας παραδοσιακές μεθόδους κατασκευής. Επιπλέον, τα εξαρτήματα αλουμινίου με τρισδιάστατη εκτύπωση μπορούν να χρησιμοποιηθούν με άλλα εξαρτήματα για τη δημιουργία υβριδικών δομών.
Χρησιμοποιώντας τρισδιάστατη εκτύπωση από αλουμίνιο, είναι επίσης δυνατή η κατασκευή δομικών μερών με ιδιότητες απορρόφησης ενέργειας και ιδιότητες εσωτερικής ενίσχυσης. Επιπλέον, οι ανεπιθύμητες παραμένουσες τάσεις που δημιουργούνται σε δομικές εφαρμογές μπορούν να μετατραπούν σε ευνοϊκές προεντάσεις.
Προκλήσεις και μελλοντικό πεδίο εφαρμογής της τρισδιάστατης εκτύπωσης αλουμινίου
Σημαντικές προκλήσεις παραμένουν στην τρισδιάστατη εκτύπωση αλουμινίου για μια ποικιλία βιομηχανικών εφαρμογών. Σε ορισμένες περιπτώσεις, η τρισδιάστατη εκτύπωση αλουμινίου είναι πιο ακριβή από τις παραδοσιακές μεθόδους παραγωγής. Στην τρισδιάστατη εκτύπωση μετάλλων, οι υπάρχουσες μέθοδοι σχεδιασμού πρέπει να τροποποιηθούν ώστε να προσαρμόζονται οι αλλαγές στις ιδιότητες του υλικού και στις μεταβλητές γεωμετρίες.
Η τεχνολογία κατασκευής πρόσθετων μετάλλων πρέπει να είναι πιο τυποποιημένη και πρέπει να εφαρμοστούν νέες διαδικασίες διασφάλισης ποιότητας για να διασφαλιστεί ότι τα κατασκευασμένα εξαρτήματα είναι αξιόπιστα κατά τη διάρκεια του κύκλου ζωής τους. Όσο αντιμετωπίζονται αυτές οι τεχνικές και βιομηχανικές προκλήσεις, η τρισδιάστατη εκτύπωση αλουμινίου έχει μεγάλες δυνατότητες για εφαρμογές σε διάφορους κλάδους.