Πώς η τρισδιάστατη εκτύπωση των κραμάτων αλουμινίου επαναπροσδιορίζει τα ελαφριά εξαρτήματα της αεροδιαστημικής

Οι μηχανικοί της αεροδιαστημικής, των UAV και των δορυφόρων συνεχίζουν να τρέχουν στο ίδιο σκληρό όριο: το εξάρτημα πρέπει να γίνεται ελαφρύτερο χωρίς να αδυνατίζει. Η συμβατική εργασία CNC ξεκινά με ένα συμπαγές μπιλιέτα, αφαιρεί το μεγαλύτερο μέρος του ως σκραπ και εξακολουθεί να μην μπορεί να δημιουργήσει την εσωτερική γεωμετρία που θα έκοψε πραγματικά τη μάζα. Οι χρόνοι παράδοσης εκτείνονται, το κόστος των υλικών αυξάνεται και ο σχεδιασμός παραμένει περιορισμένος από το τι μπορεί να φτάσει ένας κόφτης.3D εκτύπωση κραμάτων αλουμινίουαλλάζει αυτή την εξίσωση. Με την κατάθεση υλικού μόνο όπου χρειάζεται, η διαδικασία ανοίγει την ελευθερία σχεδιασμού που απλώς δεν επιτρέπουν οι μέθοδοι αφαίρεσης.

Η μάζα παραμένει ο κυρίαρχος οδηγός απόδοσης. Δημόσια δεδομένα της NASA και των μεγάλων αεροσκαφών δείχνουν ότι κάθε κιλό που αφαιρείται από ένα αεροσκάφος μπορεί να μειώσει την καύση καυσίμου κατά τη διάρκεια της ζωής του κατά ένα μετρήσιμο ποσό και να απελευθερώσει ωφέλιμο φορτίο ή αυτονομία. Σε ηλεκτρικά UAV και μικρούς δορυφόρους το αποτέλεσμα είναι πιο άμεσο-η χαμηλότερη μάζα επεκτείνει άμεσα την αντοχή ή επιτρέπει πρόσθετους αισθητήρες.

Η παραδοσιακή μηχανική κατεργασία παράγει συχνά υψηλές αναλογίες αγοράς-προς-πτήσης. Ένας πολύπλοκος βραχίονας μπορεί να ξεκινάει ως μεγάλος βραχίονας και να τελειώνει με ένα κλάσμα αυτού του βάρους. Η παραγωγή προσθέτων αντιστρέφει την αναλογία επειδή η αχρησιμοποίητη σκόνη είναι σε μεγάλο βαθμό ανακτήσιμη. Λιγότερο υλικό αγοράζεται, λιγότερο απορρίπτεται και η γεωμετρία δεν περιορίζεται πλέον από την πρόσβαση στο εργαλείο.

Τα κράματα αλουμινίου παραμένουν πρακτικά για πολλά μεταλλικά τρισδιάστατα εκτυπωμένα εξαρτήματα επειδή συνδυάζουν χαμηλή πυκνότητα με χρησιμοποιήσιμη αντοχή, αντοχή στη διάβρωση και συγκολλησιμότητα. Όταν υποβάλλεται σε επεξεργασία με σύντηξη σε σκόνη-λέιζερ, το AlSi10Mg παράγει πυκνά μέρη που ανταποκρίνονται καλά στη θερμική επεξεργασία.

Το AlSi10Mg είναι η πιο κοινή επιλογή για εργασίες σέρβις εκτύπωσης 3D από κράμα αλουμινίου. Μετά την επεξεργασία του διαλύματος και τη γήρανση, παρέχει ιδιότητες εφελκυσμού ανταγωνιστικές με πολλές ποιότητες χυτού, ενώ διατηρεί το πλεονέκτημα βάρους μιας διαδικασίας σχεδόν-καθαρού-σχήματος. Τα ίδια μηχανήματα που εκτυπώνουν αλουμίνιο μπορούν να αλλάξουν σε κράματα τιτανίου όταν απαιτείται υψηλότερη απόλυτη αντοχή ή αντίσταση θερμοκρασίας, δίνοντας στους μηχανικούς επιλογές μέσα σε ένα μόνο εργοστάσιο τρισδιάστατης εκτύπωσης μετάλλων.

Αυτό που έχει μεγαλύτερη σημασία για τους σχεδιαστές είναι η αποτελεσματική αναλογία αντοχής-προς-βάρους μόλις εφαρμοστεί η τοπολογία και οι εσωτερικές δομές. Το ίδιο το υλικό είναι μόνο μέρος της ιστορίας. η δυνατότητα τοποθέτησης του μόνο κατά μήκος μονοπατιών φορτίου κάνει τα υπόλοιπα.

Τρεις προσεγγίσεις προσφέρουν σταθερά τις μεγαλύτερες μειώσεις μάζας:

Η βελτιστοποίηση τοπολογίας ανακατανέμει το υλικό κατά μήκος των πρωτογενών μονοπατιών τάσης και αφαιρεί οτιδήποτε άλλο. Τα σχήματα που προκύπτουν φαίνονται οργανικά, αλλά φέρουν τα απαιτούμενα φορτία σε χαμηλότερο βάρος. Οι περισσότερες αεροδιαστημικές ομάδες αντιμετωπίζουν πλέον την τρισδιάστατη εκτύπωση βελτιστοποίησης τοπολογίας ως ένα τυπικό βήμα πρώιμου σχεδιασμού και όχι ως μια πειραματική επιλογή.

Οι δικτυωτές κατασκευές και οι κυψελοειδής κατασκευές αντικαθιστούν τους συμπαγείς τοίχους με ελεγχόμενα εσωτερικά σχέδια. Η ακαμψία μπορεί να ρυθμιστεί ενώ πέφτει η μάζα. Οι εφαρμογές αεροδιαστημικής εκτύπωσης τρισδιάστατων δομών δικτυωτού πλέγματος εμφανίζονται σε βραχίονες, περιβλήματα και εναλλάκτες θερμότητας όπου έχουν σημασία τόσο η δομική όσο και η θερμική απόδοση.

Η ενοποίηση εξαρτημάτων μετατρέπει τα συγκροτήματα πολλών-τεμαχίων σε μεμονωμένα τυπωμένα εξαρτήματα. Οι συνδετήρες, οι σφραγίδες και οι δευτερεύουσες λειτουργίες εξαφανίζονται, μαζί με το βάρος και τα πιθανά σημεία αστοχίας τους. Ο χρόνος συναρμολόγησης και το απόθεμα συρρικνώνονται ταυτόχρονα.

Συνολικά, αυτές οι μέθοδοι παράγουν τακτικά εξοικονόμηση βάρους στο εύρος 20-40% σε σύγκριση με τα αρχικά μηχανικά σχέδια, αν και το ακριβές ποσό εξαρτάται πάντα από τους περιορισμούς εκκίνησης.

Ένα καλά-εκτυπωμένο και θερμικά επεξεργασμένο μέρος-αλουμινίου σπάνια τελειώνει. Τα αεροδιαστημικά περιβάλλοντα εξακολουθούν να απαιτούν καλύτερη αντίσταση στη φθορά, ηλεκτρική αγωγιμότητα, προστασία από τη διάβρωση ή απόδοση κόπωσης από ό,τι μπορεί να προσφέρει η-όπως κατασκευασμένη επιφάνεια. Η επιμετάλλωση για τρισδιάστατα εκτυπωμένα μέρη αντιμετωπίζει αυτά τα κενά.

Η τυπική μετα{0}}επεξεργασία ξεκινά με την ανακούφιση από το στρες και τη γήρανση, ακολουθούμενη από κατεργασία CNC κρίσιμων διεπαφών και επιφάνειες στεγανοποίησης. Μετά από αυτό έρχονται ανοδίωση, επιστρώσεις χημικής μετατροπής, ηλεκτρολυτικό νικέλιο ή άλλα φινιρίσματα ποιότητας αεροδιαστημικής-. Η ακριβής σειρά καθορίζεται από το λειτουργικό περιβάλλον και τις απαιτήσεις πιστοποίησης.

Μια σωστά εφαρμοσμένη επίστρωση κλείνει το υπολειπόμενο πορώδες της επιφάνειας, αυξάνει τη σκληρότητα της επιφάνειας και δημιουργεί ένα φράγμα έναντι της υγρασίας και των διαβρωτικών μέσων. Η διάρκεια ζωής της κόπωσης συχνά βελτιώνεται αισθητά σε σύγκριση με μη επεξεργασμένες επιφάνειες, γι' αυτό πολλές πτήσεις-κρίσιμεςμεταλλικά 3D εκτυπωμένα εξαρτήματαεξακολουθούν να λαμβάνουν επιμετάλλωση μετά την κατεργασία.

Ένας κατασκευαστής UAV έφερε στη Sunhingstones έναν δομικό βραχίονα που είχε ήδη βελτιστοποιηθεί για CNC, αλλά παρόλα αυτά έχασε τον στόχο μάζας κάτω από φορτία δόνησης. Η ομάδα εφάρμοσε βελτιστοποίηση τοπολογίας και εσωτερικά πλέγματα και στη συνέχεια εκτύπωσε το τμήμα σε AlSi10Mg. Μετά τη θερμική επεξεργασία, την κατεργασία διεπαφής και την προστατευτική επιμετάλλωση, το τελικό εξάρτημα έγινε 27% ελαφρύτερο ενώ πληρούσε κάθε δομική και περιβαλλοντική απαίτηση. Ο χρόνος από το πάγωμα του σχεδιασμού έως την πρώτη πτήση-έτοιμο υλικό μειώθηκε κατά περίπου 40 % σε σύγκριση με την προηγούμενη διαδρομή πολλών-κομματιών. Ο ίδιος κατασκευαστής μεταλλικών τρισδιάστατων εκτυπώσεων υποστήριξε αργότερα τη σειρά παραγωγής χαμηλού όγκου{10}, δείχνοντας ότι η διαδικασία μπορεί να μεταβεί από πρωτότυπο σε πιστοποιημένο υλικό όταν υπάρχουν έλεγχοι ιχνηλασιμότητας υλικού και διεργασιών.

Οι εμπορικές ομάδες που επικεντρώνονται στο φινίρισμα επιφανειών και την αεροδιαστημική κατασκευή, συμπεριλαμβανομένων των συζητήσεων κάτω από την ομπρέλα ESTA, έχουν σημειώσει ότι οι διαδικασίες πρόσθετων μετατοπίζονται από τα πειραματικά προγράμματα στη χρήση της παραγωγής. Ο συνδυασμός τοπολογικών-βελτιστοποιημένων εξαρτημάτων αλουμινίου και κατάλληλης μετα{2}}επεξεργασίας, συμπεριλαμβανομένης της επιμετάλλωσης, αναφέρεται επανειλημμένα ως πρακτική διαδρομή προς ελαφρύτερο υλικό πτήσης. Αυτή η αναγνώριση αντανακλά την αυξανόμενη εμπιστοσύνη στην τεχνολογία όταν τα συστήματα ποιότητας εφαρμόζονται σωστά.

Η τιμή από μόνη της είναι ένα κακό φίλτρο. Τα χρήσιμα κριτήρια περιλαμβάνουν:

AS9100 ή ισοδύναμη πιστοποίηση ποιότητας αεροδιαστημικής

Πλήρης ιχνηλασιμότητα υλικού και σκόνης

Δυνατότητα ελεγχόμενης μετα{0}}επεξεργασίας (θερμική επεξεργασία, κατεργασία, επιμετάλλωση)

Αποδεδειγμένη εμπειρία με πτήσεις ή πτήσεις-όπως υλικό

Σαφής σχεδιασμός-για-προσθετική καθοδήγηση και εύλογη ανάκαμψη πρωτοτύπου

Δυνατότητα μετάβασης από πρωτότυπο σε μικρή-σε-μεσαία παραγωγή, συμπεριλαμβανομένης της προσφοράς χονδρικής όταν αυξάνονται οι όγκοι

Ένα μεταλλικό εργοστάσιο τρισδιάστατης εκτύπωσης που μπορεί να συζητήσει αυτά τα σημεία με συγκεκριμένα παραδείγματα είναι πιο πιθανό να παραδώσει εξαρτήματα που ανταποκρίνονται τόσο στις μηχανικές ανάγκες όσο και στις ανάγκες του προγράμματος.

Εάν ζυγίζετε την τρισδιάστατη εκτύπωση μετάλλου με ένα τρέχον ελαφρύ εξάρτημα αεροδιαστημικής, το πρακτικό επόμενο βήμα είναι να μοιραστείτε τις απαιτήσεις γεωμετρίας και απόδοσης με έναν πιστοποιημένο κατασκευαστή. Μια σύντομη ανασκόπηση σχεδιασμού συνήθως αποκαλύπτει εάν η βελτιστοποίηση τοπολογίας, οι δομές πλέγματος ή η ενοποίηση μερών θα αποδώσουν χρήσιμο βάρος και κέρδη για το συγκεκριμένο τμήμα.