Jak druk 3D stopów aluminium na nowo definiuje lekkie części lotnicze

Inżynierowie z branży lotniczej, UAV i satelitarnej stale napotykają ten sam twardy limit: część musi stać się lżejsza, ale nie osłabiona. Konwencjonalna praca CNC rozpoczyna się od litego kęsa, większość z niego jest usuwana jako złom, a mimo to nie można stworzyć wewnętrznej geometrii, która faktycznie przecięłaby masę. Czasy realizacji wydłużają się, koszty materiałów rosną, a projekt pozostaje ograniczony zasięgiem frezu.Druk 3D stopów aluminiumzmienia to równanie. Dzięki osadzaniu materiału tylko tam, gdzie jest potrzebny, proces ten zapewnia swobodę projektowania, na którą metody subtraktywne po prostu nie pozwalają.

Masa pozostaje dominującym czynnikiem wpływającym na wydajność. Publiczne dane NASA i głównych płatowców pokazują, że każdy kilogram usunięty z płatowca może w wymierny sposób zmniejszyć zużycie paliwa w całym okresie eksploatacji i zwiększyć ładowność lub zasięg. W przypadku elektrycznych UAV i małych satelitów efekt jest bardziej natychmiastowy.-mniejsza masa bezpośrednio zwiększa wytrzymałość lub umożliwia zastosowanie dodatkowych czujników.

Tradycyjna obróbka często zapewnia wysoki współczynnik zakupu-do-lotu. Złożony zamek może zaczynać się od dużego kęsa i kończyć na ułamku tej wagi. Produkcja przyrostowa odwraca tę proporcję, ponieważ niewykorzystany proszek w dużej mierze można odzyskać. Kupuje się mniej materiału, mniej go wyrzuca, a geometria nie jest już ograniczona dostępem narzędzi.

Stopy aluminium pozostają praktyczne w przypadku wielu metalowych elementów drukowanych w 3D, ponieważ łączą niską gęstość z użyteczną wytrzymałością, odpornością na korozję i spawalnością. Po przetworzeniu za pomocą laserowego stapiania proszku- AlSi10Mg tworzy gęste części, które dobrze reagują na obróbkę cieplną.

AlSi10Mg jest najczęstszym wyborem do prac usługowych związanych z drukiem 3D ze stopów aluminium. Po obróbce przesycającej i starzeniu zapewnia właściwości rozciągające konkurencyjne w stosunku do wielu gatunków odlewów, zachowując jednocześnie przewagę wagową wynikającą z procesu kształtu zbliżonego do-net-. Te same maszyny, które drukują aluminium, mogą przejść na stopy tytanu, gdy wymagana jest wyższa wytrzymałość bezwzględna lub odporność na temperaturę, dając inżynierom możliwości w jednej fabryce druku 3D z metalu.

Dla projektantów najważniejszy jest stosunek efektywnej wytrzymałości-do-masy po zastosowaniu topologii i struktur wewnętrznych. Sam materiał to tylko część historii; możliwość umieszczenia go tylko wzdłuż ścieżek ładunkowych załatwi resztę.

Trzy podejścia konsekwentnie zapewniają największą redukcję masy:

Optymalizacja topologii redystrybuuje materiał wzdłuż głównych ścieżek naprężeń i usuwa wszystko inne. Powstałe kształty wyglądają organicznie, ale przenoszą wymagane obciążenia przy niższej wadze. Większość zespołów lotniczych traktuje obecnie druk 3D z optymalizacją topologii jako standardowy etap wczesnego projektowania, a nie opcję eksperymentalną.

Struktury kratowe i o strukturze plastra miodu zastępują solidne ściany kontrolowanymi wzorami wewnętrznymi. Sztywność można regulować podczas spadku masy. Druk 3D o strukturze kratowej w zastosowaniach lotniczych pojawia się we wspornikach, obudowach i wymiennikach ciepła, gdzie liczy się zarówno wydajność strukturalna, jak i termiczna.

Konsolidacja części przekształca-zespoły wieloelementowe w pojedyncze drukowane komponenty. Znikają elementy złączne, uszczelki i operacje wtórne, wraz z ich wagą i potencjalnymi punktami awarii. Jednocześnie skraca się czas montażu i zapasy.

Podsumowując, metody te regularnie zapewniają oszczędność masy w zakresie 20–40% w porównaniu z oryginalnymi konstrukcjami obrobionymi maszynowo, chociaż dokładna wartość zawsze zależy od ograniczeń początkowych.

Dobrze-wydrukowana i-obrobiona cieplnie część aluminiowa rzadko jest wykończona. Środowiska lotnicze i kosmiczne nadal wymagają lepszej odporności na zużycie, przewodności elektrycznej, ochrony przed korozją i odporności na zmęczenie, niż może zapewnić-powierzchnia po zbudowaniu. Metalizacja części drukowanych w 3D eliminuje te luki.

Typowa obróbka końcowa-rozpoczyna się od odprężania i starzenia, po czym następuje obróbka CNC krytycznych interfejsów i powierzchni uszczelniających. Potem następuje anodowanie, chemiczne powłoki konwersyjne, nikiel bezprądowy i inne wykończenia-na poziomie lotniczym. Dokładna kolejność zależy od środowiska operacyjnego i wymagań certyfikacyjnych.

Prawidłowo nałożona powłoka zamyka resztkową porowatość powierzchni, podnosi twardość powierzchni i tworzy barierę przed wilgocią i mediami korozyjnymi. Trwałość zmęczeniowa często ulega zauważalnej poprawie w porównaniu z powierzchniami nieobrobionymi, dlatego wiele-trudności ma krytyczne znaczenie dla lotumetalowe elementy drukowane w 3Dnadal otrzymują poszycie po obróbce.

Producent UAV dostarczył firmie Sunhingstones wspornik konstrukcyjny, który został już zoptymalizowany pod kątem CNC, a mimo to nadal nie osiągnął docelowej masy pod obciążeniem wibracjami. Zespół zastosował optymalizację topologii i siatki wewnętrzne, a następnie wydrukował część z AlSi10Mg. Po obróbce cieplnej, obróbce powierzchni stykowych i pokryciu ochronnym gotowy element był o 27% lżejszy, spełniając jednocześnie wszystkie wymagania konstrukcyjne i środowiskowe. Czas od zamrożenia projektu do pierwszego lotu-gotowego sprzętu został skrócony o około 40% w porównaniu z poprzednią trasą składającą się-z wielu elementów. Ten sam producent drukarek 3D do metalu wspierał później-masową produkcję, pokazując, że proces może przejść od prototypu do certyfikowanego sprzętu, jeśli zapewniona jest identyfikowalność materiałów i kontrola procesu.

Grupy branżowe zajmujące się wykańczaniem powierzchni i produkcją lotniczą, w tym dyskusje pod patronatem ESTA, zauważyły, że procesy addytywne przechodzą z programów eksperymentalnych do zastosowań produkcyjnych. Połączenie-części aluminiowych o zoptymalizowanej topologii i odpowiedniej-obróbki końcowej, w tym powlekania, jest wielokrotnie wymieniane jako praktyczna droga do lżejszego sprzętu lotniczego. Uznanie to odzwierciedla rosnące zaufanie do technologii, jeśli systemy jakości są właściwie stosowane.

Sama cena to słaby filtr. Przydatne kryteria obejmują:

AS9100 lub równoważny certyfikat jakości lotniczej

Pełna identyfikowalność materiałów i proszków

Kontrolowane możliwości-obróbki końcowej (obróbka cieplna, obróbka skrawaniem, galwanizacja)

Udokumentowane doświadczenie ze sprzętem latającym lub-podobnym do lotu

Przejrzysty projekt-dla-dodatkowych wskazówek i rozsądnej zmiany prototypu

Możliwość przejścia od prototypu do małej-{1}}średniej produkcji, w tym dostaw hurtowych w przypadku wzrostu wolumenu

Fabryka druku 3D do metalu, która może omówić te punkty na konkretnych przykładach, z większym prawdopodobieństwem dostarczy części spełniające zarówno potrzeby inżynieryjne, jak i harmonogramowe.

Jeśli porównujesz druk 3D metalu z obecnie stosowanym lekkim komponentem lotniczym, kolejnym praktycznym krokiem jest podzielenie się wymaganiami dotyczącymi geometrii i wydajności z wykwalifikowanym producentem. Krótki przegląd projektu zwykle ujawnia, czy optymalizacja topologii, struktury kratowe lub konsolidacja części zapewnią użyteczne korzyści w zakresie masy i harmonogramu dla tej konkretnej części.