Prozessablauf beim 3D-Druck von Aluminiumlegierungen

Aluminiumlegierungen werden aufgrund ihrer hervorragenden spezifischen Festigkeit, guten Wärmeleitfähigkeit und hervorragenden Korrosionsbeständigkeit seit langem häufig als Leichtbaumaterialien in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau, bei elektronischen Geräten und anderen Bereichen eingesetzt. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der additiven Fertigungstechnologie werden 3D--gedruckte Aluminiumlegierungen zu einer wichtigen Ergänzungslösung zum herkömmlichen Druckguss, Schmieden und CNC-Bearbeitung-besonders geeignet für komplexe Strukturteile, kundenspezifische Kleinserien-komponenten und Prototypenteile, die eine schnelle iterative Überprüfung erfordern. Das Verständnis des gesamten Prozessablaufs von 3D--gedruckten Aluminiumlegierungen hilft Unternehmen, die Anwendbarkeit dieser Technologie in ihrer eigenen Produktentwicklung besser zu bewerten.

Der Hauptprozess von 3D-gedruckten Aluminiumlegierungen ist wie folgt:

Zunächst wird professionelle 3D-Modellierungssoftware wie SolidWorks oder AutoCAD verwendet, um das dreidimensionale Modell der erforderlichen Aluminiumlegierungskomponente präzise zu entwerfen. Bei diesem Modell müssen Faktoren wie Form, Abmessungen und interne Struktur des Teils sorgfältig berücksichtigt werden, um sicherzustellen, dass das endgültige gedruckte Teil den tatsächlichen Serviceanforderungen entspricht.

In dieser Phase nutzen Designer in der Regel auch die Designfreiheit, die die additive Fertigung bietet, voll aus und kombinieren Topologieoptimierungsalgorithmen, um ein leichtes Strukturdesign für das Bauteil durchzuführen. Unnötiges Material wird entfernt, während die mechanische Leistung erhalten bleibt, wodurch das Teilegewicht weiter reduziert und Druckzeit und Materialkosten gespart werden. Darüber hinaus müssen in der Entwurfsphase die Wahl der Bauausrichtung, die Anordnung der Stützstrukturen und die für die spätere Bearbeitung reservierten Toleranzen umfassend berücksichtigt werden. Die Ausrichtung des Aufbaus beeinflusst nicht nur die Oberflächenqualität und Maßgenauigkeit, sondern bestimmt auch direkt die Menge des erforderlichen Stützmaterials und die Schwierigkeit der Oberflächenbehandlung nach der Entfernung des Stützmaterials. Für kritische Abmessungen, die eine Montagepassung oder eine nachträgliche Bearbeitung erfordern, reservieren Konstrukteure oft eine Bearbeitungszugabe von etwa 0,2–0,5 mm, damit die endgültigen Toleranzen durch Endbearbeitungsvorgänge in der Nachbearbeitungsphase erreicht werden können.

Das fertige dreidimensionale Modell wird in die Slicing-Software importiert, die der 3D-Druckausrüstung beiliegt. Die Slicing-Software führt eine schichtweise Verarbeitung des Modells gemäß den Arbeitsprinzipien und Parameteranforderungen des 3D-Druckers durch und generiert eine Reihe zwei-dimensionaler Schnittdaten. Diese Daten definieren den Abscheidungsweg, die Dicke und andere Informationen für jede Schicht aus Aluminiumlegierungsmaterial.

Über die grundlegende Schichtung hinaus übernimmt die Slicing-Software in dieser Phase mehrere wichtige Aufgaben. Erstens erfolgt die automatische Generierung und Optimierung von Stützstrukturen: Für überhängende oder steil geneigte Abschnitte des Modells berechnet und fügt die Software auf intelligente Weise die erforderlichen Stützstrukturen hinzu, die die Stabilität beim Drucken gewährleisten und gleichzeitig das Stützvolumen minimieren, um die Schwierigkeit einer späteren Entfernung und Materialverschwendung zu reduzieren. Zweitens geht es um die Festlegung von Scanpfadstrategien, einschließlich der Reihenfolge und Richtung des Scannens der Konturgrenzen und des Scannens interner Füllungen. Diese Parameter beeinflussen direkt die Eigenspannungsverteilung im Inneren des Teils und seine endgültigen mechanischen Eigenschaften. Darüber hinaus muss die Slicing-Software je nach Gerätetyp geeignete Schichtdickenparameter einstellen. Dünnere Schichten führen im Allgemeinen zu einer höheren Formgenauigkeit und Oberflächenqualität, verlängern jedoch die Druckzeit erheblich. Daher muss ein Gleichgewicht zwischen Präzisionsanforderungen und Produktionseffizienz gefunden werden.

Beim 3D-Druck von Aluminiumlegierungen werden in der Regel bestimmte Aluminiumlegierungspulver als Rohmaterialien verwendet. Diese Pulver müssen über eine gute Fließfähigkeit, eine gleichmäßige Partikelgrößenverteilung und andere Eigenschaften verfügen, um eine reibungslose Förderung und Sintern während des Druckprozesses zu gewährleisten.

Zu den derzeit in der Industrie am häufigsten verwendeten Aluminiumlegierungspulversorten gehören hauptsächlich AlSi10Mg, AlSi7Mg und bestimmte hochfeste Aluminiumlegierungssysteme (z. B. Al-Cu-Serie und neue Aluminiumlegierungspulver der Al-Sc-Zr-Serie). Unter diesen ist AlSi10Mg mit seiner guten Gesamtleistung und seinem ausgereiften Prozessparametersystem derzeit die am weitesten verbreitete Sorte. Es bietet eine hervorragende Gießbarkeit und stabile mechanische Eigenschaften und eignet sich daher hervorragend zum Drucken dünnwandiger und komplexer Strukturteile. Normalerweise muss die Sphärizität des Pulvers 95 % überschreiten, und die Partikelgrößenverteilung wird im Allgemeinen im Bereich von 15–53 μm kontrolliert; Zu grobe oder zu feine Pulver beeinträchtigen die Gleichmäßigkeit der Pulververteilung und die Formqualität. Darüber hinaus nehmen Aluminiumlegierungspulver leicht Feuchtigkeit auf und weisen eine gewisse Entflammbarkeit auf. Während der Lagerung und Verwendung muss die Umgebungsfeuchtigkeit streng kontrolliert werden und es müssen entsprechende Explosions- und Brandschutzmaßnahmen ergriffen werden. Dies ist ein Punkt von besonderer Bedeutung für das Sicherheitsmanagement beim 3D-Druck von Aluminiumlegierungen im Vergleich zum Druck anderer Metalle.

Pulververteilung: Die Pulververteilungsvorrichtung der Druckausrüstung verteilt gleichmäßig eine dünne Schicht Aluminiumlegierungspulver auf der Bauplattform.

Lasersintern: Ein computergesteuerter Laserstrahl sintert selektiv die verteilte Pulverschicht entsprechend dem durch die Schnittdaten bestimmten Pfad. Die Laserenergie schmilzt und verfestigt die Pulverpartikel in lokalen Bereichen schnell und baut so Schicht für Schicht den dreidimensionalen Feststoff auf, der dem Modell entspricht.

Schichtweise Anhäufung -für-: Die Schritte der Pulververteilung und des Lasersinterns werden wiederholt, wobei das Aluminiumlegierungspulver Schicht für Schicht zusammengesintert wird, bis das gesamte Bauteil gedruckt ist.

In der tatsächlichen Produktion umfasst die Formungsphase viele Details, die eine präzise Steuerung erfordern. Da Aluminiumlegierungen ein relativ hohes Laserreflexionsvermögen und eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, ist Aluminiumlegierungspulver während der Formung anfälliger für Kugelbildung, Porosität und andere Defekte als Materialien wie Titanlegierungen oder Edelstahl. Gerätehersteller müssen daher in der Regel Kombinationen von Prozessparametern -Laserleistung, Scangeschwindigkeit, Lukenabstand usw. speziell für Aluminiumlegierungen optimieren. Der gesamte Formungsprozess muss außerdem in einer versiegelten Kammer durchgeführt werden, die durch ein Inertgas wie Argon geschützt ist, wobei der Sauerstoffgehalt streng auf einem extrem niedrigen Niveau (typischerweise unter 100 ppm) kontrolliert wird, um zu verhindern, dass das hochreaktive Aluminiumpulver bei hohen Temperaturen oxidiert oder sogar explodiert. Darüber hinaus wird die Bauplattform normalerweise mäßig vorgewärmt, um Eigenspannungen zu reduzieren, die durch übermäßige Temperaturgradienten im Inneren des Teils verursacht werden, und um die Wahrscheinlichkeit von Verwerfungen und Verformungen während des Druckens zu verringern.

Nach Abschluss des Druckvorgangs sind für das Teil möglicherweise bestimmte Nachbearbeitungsvorgänge erforderlich, z. B. das Entfernen von Pulverrückständen von der Oberfläche, Schleifen, Polieren und andere Behandlungen zur Verbesserung der Oberflächenqualität und -genauigkeit. Es können auch Wärmebehandlungen und andere Prozesse angewendet werden, um die Leistung der Aluminiumlegierungskomponente weiter zu verbessern.

Insbesondere umfasst die Nachbearbeitung von 3D-gedruckten Teilen aus Aluminiumlegierung-in der Regel die folgenden Schritte. Zunächst geht es um die Entfernung des Pulvers und der Stützstruktur: Restliches, nicht geschmolzenes Pulver in den inneren Kanälen und auf der Oberfläche muss gründlich gereinigt werden, und Stützstrukturen, die beim Drucken hinzugefügt wurden, müssen entfernt werden. Dieser Schritt ist besonders wichtig für Teile mit komplexen inneren Hohlräumen und erfordert häufig spezielle Geräte wie Vibrationspulverentfernung und Luftstromspülung. An zweiter Stelle steht die Wärmebehandlung, einschließlich Spannungsarmglühen und Lösungsalterung. Spannungsarmglühen wird hauptsächlich verwendet, um beim Drucken entstehende Restspannungen zu beseitigen und Verformungen oder Risse bei der späteren Verwendung oder Bearbeitung zu verhindern. Bei Güten wie AlSi10Mg kann eine Lösungsalterungsbehandlung die Kornstruktur weiter verfeinern und die Festigkeit und Duktilität des Materials verbessern, wodurch die mechanischen Eigenschaften denen herkömmlicher Aluminiumdruckgussteile nahe kommen oder diese sogar übertreffen. Darüber hinaus kann für kritische lasttragende Komponenten, die eine hohe Dichte erfordern, heißisostatisches Pressen (HIP) durchgeführt werden; Die Umgebung mit hoher-Temperatur und hohem-Druck beseitigt mikroskopische Porositätsdefekte im Inneren des Teils und verbessert die Ermüdungsleistung weiter. Abschließend werden entsprechend den spezifischen Anwendungsanforderungen des Teils mechanische Bearbeitung, Sandstrahlen, Eloxieren, Beschichten und andere Oberflächenbehandlungen angewendet, um Anforderungen an Maßhaltigkeit, Aussehensqualität oder besondere Funktionalität (z. B. Verschleißfestigkeit, Isolierung oder Ästhetik) zu erfüllen.

Bei tatsächlichen Auswahlentscheidungen müssen Unternehmen häufig 3D-{{1}gedruckte Aluminiumlegierungen gegen herkömmliche Druckgussverfahren abwägen. Herkömmlicher Druckguss bietet bei der Massenproduktion einen erheblichen Kostenvorteil. Die Stückkosten sinken schnell, wenn das Volumen zunimmt. Es erfordert jedoch die Entwicklung spezieller Formen in einem frühen Stadium. Der Entwurf und die Herstellung von Formen dauern in der Regel mehrere Wochen oder sogar Monate, und jede Designänderung bedeutet oft, dass die Form verschrottet und neu investiert werden muss. Im Gegensatz dazu erfordern 3D-gedruckte Aluminiumlegierungen überhaupt keine Formen; Sobald die Designdatei bestätigt ist, kann der Druck direkt beginnen. Es eignet sich besonders für die schnelle Prototypenüberprüfung während der Entwicklung neuer Produkte und für die Herstellung von Kleinserien, komplexen oder kundenspezifischen Teilen, die sich nur schwer in einem einzigen Schritt durch Druckguss formen lassen. Gleichzeitig können mit dem 3D-Druck komplexe interne Strömungskanäle, Gitter und Hohlstrukturen realisiert werden, die mit Druckguss nur schwer zu erreichen sind, wodurch mehr Designraum für Produktleichtgewichtigkeit und Funktionsintegration geschaffen wird.

Die 3D--gedruckte Aluminiumlegierungstechnologie nutzt ihre Vorteile in Bezug auf Leichtbau und Designfreiheit und hat bereits praktische Anwendungen in mehreren Bereichen gefunden. In der Luft- und Raumfahrt wird der 3D-Druck von Aluminiumlegierungen häufig zur Herstellung von UAV-Strukturteilen, Satellitenhalterungen und anderen Komponenten mit strengen Anforderungen an die Gewichtsreduzierung eingesetzt. Im Automobilbau werden komplexe Strömungskanalteile wie Ansaugkrümmer und Wassermantelgehäuse für Renn- und Hochleistungsfahrzeuge zunehmend durch integrierten 3D-Druck aus Aluminiumlegierungen hergestellt, was Entwicklungszyklen verkürzt und Strömungskanaloptimierungsdesigns ermöglicht, die mit herkömmlichen Verfahren nicht möglich sind. In den Bereichen elektronische Geräte und Wärmemanagement wird die gute Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumlegierungen in Kombination mit den komplexen Wärmeableitungsrippen und biomimetischen Flusskanalstrukturen, die durch 3D-Druck realisiert werden können, häufig bei der Herstellung von Kühlkörpern und Dampfkammern für leistungsstarke elektronische Geräte eingesetzt. Darüber hinaus wird im Formenbau der 3D-Druck von Aluminiumlegierungen verwendet, um Formeinsätze mit konformen Kühlkanälen herzustellen, wodurch die Kühlzeiten bei der Spritzguss- oder Druckgussproduktion effektiv verkürzt und die Produktionseffizienz verbessert werden.

Durch die enge Koordination von Modelldesign, Datenverarbeitung, Materialvorbereitung, Drucken/Formen und Nachbearbeitung bietet die 3D--gedruckte Aluminiumlegierungstechnologie einen effizienten und flexiblen technischen Weg für die Herstellung leichter Aluminiumlegierungsteile mit komplexer -Struktur. Im Vergleich zu herkömmlichen Druckguss- und Bearbeitungsprozessen weist diese Technologie einzigartige Vorteile in Bezug auf Designfreiheit, Entwicklungszyklus und maßgeschneiderte Kleinserienproduktion auf. Obwohl es weiterhin Herausforderungen bei den Produktionskosten für hohe Stückzahlen und bei bestimmten Prozessdetailkontrollen gibt, wird erwartet, dass 3D-gedruckte Aluminiumlegierungen aufgrund des kontinuierlichen Rückgangs der Materialkosten für Aluminiumlegierungspulver und der fortlaufenden Verbesserung der Prozessparametersysteme umfangreichere und tiefere Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilherstellung, dem elektronischen Wärmemanagement und vielen anderen Bereichen erreichen werden.