Cách in 3D trên hợp kim nhôm đang định nghĩa lại các bộ phận hàng không vũ trụ nhẹ

Các kỹ sư hàng không vũ trụ, máy bay không người lái và vệ tinh tiếp tục gặp phải cùng một giới hạn cứng: bộ phận phải nhẹ hơn mà không bị yếu đi. Công việc CNC thông thường bắt đầu bằng phôi rắn, loại bỏ phần lớn chúng dưới dạng phế liệu và vẫn không thể tạo ra hình dạng bên trong có thể thực sự cắt khối lượng. Thời gian thực hiện kéo dài, chi phí vật liệu tăng cao và thiết kế vẫn bị hạn chế bởi khả năng của máy cắt.In 3D trên hợp kim nhômlàm thay đổi phương trình đó. Bằng cách chỉ ký gửi vật liệu ở những nơi cần thiết, quy trình này mở ra sự tự do trong thiết kế mà các phương pháp trừ đơn giản không cho phép.

Khối lượng vẫn là động lực hiệu suất vượt trội. Dữ liệu công khai từ NASA và các nhà chế tạo máy bay lớn cho thấy rằng mỗi kg được loại bỏ khỏi khung máy bay có thể giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ trong suốt cuộc đời xuống một lượng có thể đo lường được và giải phóng tải trọng hoặc phạm vi hoạt động. Trên các máy bay không người lái chạy điện và vệ tinh nhỏ, hiệu ứng này diễn ra ngay lập tức hơn-khối lượng thấp hơn trực tiếp giúp tăng độ bền hoặc cho phép bổ sung thêm cảm biến.

Gia công truyền thống thường tạo ra tỷ lệ mua-trên-cao. Một giá đỡ phức tạp có thể bắt đầu bằng một phôi lớn và kết thúc với trọng lượng bằng một phần nhỏ đó. Sản xuất phụ gia đảo ngược tỷ lệ vì bột không sử dụng phần lớn có thể thu hồi được. Ít vật liệu được mua hơn, ít bị loại bỏ hơn và hình dạng không còn bị giới hạn bởi khả năng tiếp cận công cụ.

Hợp kim nhôm vẫn còn thiết thực đối với nhiều thành phần in 3D kim loại vì chúng kết hợp mật độ thấp với độ bền hữu dụng, khả năng chống ăn mòn và khả năng hàn. Khi được xử lý bằng phương pháp phản ứng tổng hợp bột -laze, AlSi10Mg tạo ra các bộ phận dày đặc phản ứng tốt với xử lý nhiệt.

AlSi10Mg là lựa chọn phổ biến nhất cho công việc dịch vụ in 3D bằng hợp kim nhôm. Sau khi xử lý bằng dung dịch và lão hóa, nó mang lại đặc tính kéo có khả năng cạnh tranh với nhiều loại vật liệu đúc trong khi vẫn giữ được lợi thế về trọng lượng của quy trình có hình dạng gần{3}}net{4}}. Các máy in nhôm tương tự có thể chuyển sang hợp kim titan khi cần độ bền tuyệt đối hoặc khả năng chịu nhiệt độ cao hơn, mang lại cho các kỹ sư các lựa chọn bên trong một nhà máy in 3D kim loại duy nhất.

Điều quan trọng nhất đối với các nhà thiết kế là tỷ lệ cường độ-trên-trọng lượng hiệu quả sau khi áp dụng cấu trúc liên kết và cấu trúc bên trong. Bản thân tài liệu chỉ là một phần của câu chuyện; khả năng chỉ đặt nó dọc theo đường dẫn tải sẽ thực hiện phần còn lại.

Ba phương pháp tiếp cận nhất quán mang lại mức giảm khối lượng lớn nhất:

Tối ưu hóa cấu trúc liên kết phân phối lại vật liệu dọc theo các đường ứng suất chính và loại bỏ mọi thứ khác. Các hình dạng thu được trông có vẻ tự nhiên nhưng chúng mang tải trọng cần thiết ở trọng lượng thấp hơn. Hầu hết các nhóm hàng không vũ trụ hiện coi việc in 3D tối ưu hóa cấu trúc liên kết như một bước thiết kế ban đầu tiêu chuẩn chứ không phải là một lựa chọn thử nghiệm.

Cấu trúc lưới và tổ ong thay thế các bức tường vững chắc bằng các mô hình bên trong được kiểm soát. Độ cứng có thể được điều chỉnh trong khi khối lượng giảm xuống. Các ứng dụng hàng không vũ trụ in 3D cấu trúc dạng lưới xuất hiện trong giá đỡ, vỏ và bộ trao đổi nhiệt, nơi cả hiệu suất kết cấu và nhiệt đều quan trọng.

Hợp nhất bộ phận biến các cụm nhiều{0}}mảnh thành các bộ phận được in đơn lẻ. Chốt, vòng đệm và các hoạt động phụ biến mất cùng với trọng lượng và các điểm hỏng hóc tiềm ẩn của chúng. Thời gian lắp ráp và hàng tồn kho giảm cùng một lúc.

Kết hợp lại với nhau, những phương pháp này thường tạo ra mức giảm trọng lượng trong phạm vi 20–40 % so với thiết kế gia công ban đầu, mặc dù con số chính xác luôn phụ thuộc vào giới hạn ban đầu.

Phần nhôm được-in và xử lý nhiệt-tốt hiếm khi được hoàn thiện. Môi trường hàng không vũ trụ vẫn yêu cầu khả năng chống mài mòn, độ dẫn điện, chống ăn mòn hoặc hiệu suất mỏi tốt hơn so với bề mặt-được xây dựng có thể mang lại. Mạ kim loại cho các bộ phận in 3D sẽ giải quyết những khoảng trống đó.

Quá trình xử lý hậu kỳ điển hình-bắt đầu bằng việc giảm ứng suất và lão hóa, sau đó là gia công CNC các giao diện quan trọng và các mặt bịt kín. Sau đó là quá trình anod hóa, lớp phủ chuyển đổi hóa học, niken điện phân hoặc các lớp hoàn thiện-hàng không vũ trụ khác. Trình tự chính xác được điều khiển bởi môi trường hoạt động và các yêu cầu chứng nhận.

Lớp phủ được áp dụng đúng cách sẽ đóng lại độ xốp còn sót lại trên bề mặt, tăng độ cứng bề mặt và tạo ra rào cản chống lại độ ẩm và môi trường ăn mòn. Tuổi thọ mỏi thường được cải thiện rõ rệt so với các bề mặt chưa được xử lý, đó là lý do tại sao nhiều chuyến bay-quan trọnglinh kiện in 3D kim loạivẫn nhận được mạ sau khi gia công.

Một nhà sản xuất UAV đã mang đến cho Sunhingstones một khung kết cấu đã được tối ưu hóa cho CNC nhưng vẫn trượt mục tiêu khối lượng dưới tải trọng rung. Nhóm đã áp dụng tối ưu hóa cấu trúc liên kết và các mạng bên trong, sau đó in chi tiết bằng AlSi10Mg. Sau khi xử lý nhiệt, gia công bề mặt và mạ bảo vệ, thành phần hoàn thiện nhẹ hơn 27% đồng thời đáp ứng mọi yêu cầu về cấu trúc và môi trường. Thời gian từ khi thiết kế ổn định cho đến khi phần cứng sẵn sàng cho chuyến bay đầu tiên-đã rút ngắn khoảng 40% so với lộ trình nhiều-thành phần trước đó. Sau đó, nhà sản xuất máy in 3D kim loại đó đã hỗ trợ quá trình sản xuất{10}số lượng thấp, cho thấy rằng quy trình có thể chuyển từ nguyên mẫu sang phần cứng được chứng nhận khi có khả năng truy xuất nguồn gốc vật liệu và kiểm soát quy trình.

Các nhóm thương mại tập trung vào hoàn thiện bề mặt và sản xuất hàng không vũ trụ, bao gồm các cuộc thảo luận dưới sự bảo trợ của ESTA, đã lưu ý rằng các quy trình bồi đắp đang chuyển từ các chương trình thử nghiệm sang sử dụng trong sản xuất. Sự kết hợp giữa các bộ phận bằng nhôm được tối ưu hóa-cấu trúc liên kết và quá trình xử lý hậu kỳ thích hợp-, bao gồm cả lớp mạ, được nhiều lần coi là một lộ trình thực tế để có được phần cứng máy bay nhẹ hơn. Sự công nhận đó phản ánh niềm tin ngày càng tăng vào công nghệ khi hệ thống chất lượng được áp dụng đúng cách.

Giá một mình là một bộ lọc kém. Các tiêu chí hữu ích bao gồm:

AS9100 hoặc chứng nhận chất lượng hàng không vũ trụ tương đương

Truy xuất nguồn gốc nguyên liệu và bột đầy đủ

Khả năng xử lý sau{0}}được kiểm soát (xử lý nhiệt, gia công, mạ)

Kinh nghiệm đã được chứng minh về chuyến bay hoặc phần cứng{0}}như chuyến bay

Thiết kế rõ ràng-để có-hướng dẫn bổ sung và quay vòng nguyên mẫu hợp lý

Khả năng chuyển từ nguyên mẫu sang sản xuất nhỏ-đến-vừa, bao gồm cả cung cấp bán buôn khi số lượng tăng lên

Một nhà máy in 3D kim loại có thể thảo luận những điểm này bằng các ví dụ cụ thể sẽ có nhiều khả năng cung cấp các bộ phận đáp ứng cả nhu cầu về kỹ thuật và tiến độ.

Nếu bạn đang cân công nghệ in 3D kim loại dựa trên một thành phần hàng không vũ trụ nhẹ hiện nay thì bước thực tế tiếp theo là chia sẻ các yêu cầu về hình học và hiệu suất với nhà sản xuất đủ tiêu chuẩn. Đánh giá thiết kế ngắn thường tiết lộ liệu tối ưu hóa cấu trúc liên kết, cấu trúc mạng hoặc hợp nhất bộ phận sẽ mang lại lợi ích về trọng lượng và lịch trình cho bộ phận cụ thể đó hay không.