Nguyên lý và phân loại công nghệ in 3D kim loại
Bằng cách xếp từng lớp bột hoặc dây kim loại, công nghệ in 3D kim loại biến mô hình CAD thành mô hình thực tế. Thiêu kết Laser kim loại trực tiếp (DMLS), bằng sáng chế in 3D kim loại đầu tiên, đã được EOS Đức giành được vào những năm 1990. Bốn kỹ thuật này – phản ứng tổng hợp lớp bột, phun keo, lắng đọng năng lượng trực tiếp và ép đùn vật liệu – chủ yếu xác định tính năng in 3D kim loại như hiện nay.
DMLS, nấu chảy bằng laser chọn lọc (SLM) và nấu chảy bằng chùm tia điện tử (EBM) cùng nhau tạo thành phản ứng tổng hợp bột. Những công nghệ này xây dựng từng lớp bằng cách sử dụng chùm tia laser hoặc điện tử, làm tan chảy bột kim loại. Trong khi EBM có thể tạo ra hầu hết mọi hình dạng hình học với độ chính xác cao, bao gồm cả thách thức đối với các vật liệu gia công như hợp kim titan và hợp kim nhiệt độ cao niken, thì DMLS có thể được sử dụng để chế tạo các vật thể từ hầu hết mọi hợp kim kim loại, SLM tạo ra các vật thể in khá dày đặc và chắc chắn. .
Sử dụng máy in phun để thả chất kết dính lên nền bột kim loại, phun chất kết dính - chẳng hạn như phản ứng tổng hợp đa tia (MJF) và phun hạt nano (NPJ-dần dần đông cứng từng lớp bột, do đó tạo ra toàn bộ sản phẩm. Các bộ phận lớn hơn có thể được sản xuất bằng phương pháp này , có thể chạy ở nhiệt độ phòng mà không cần kết cấu đỡ.
Lắng đọng năng lượng trực tiếp bao gồm lắng đọng vật liệu laser (LMD), sản xuất bồi đắp hồ quang (WAAM) và lắng đọng kim loại trực tiếp (DED). Các phương pháp này ép đùn bột hoặc dây kim loại và áp dụng ngay lập tức để tạo ra tác động năng lượng cao, làm tan chảy và xây dựng từng lớp. Trong khi LMD có thể sử dụng hiệu quả các vật liệu để thực hiện in mật độ cao và hiệu suất cơ học cao thì DED có thể khôi phục các bộ phận kim loại bị hỏng và bổ sung các bộ phận mới.
Sử dụng sợi hoặc dây polyme được tẩm các hạt kim loại nhỏ để in từng lớp, sau đó nấu chảy các hạt kim loại thành kim loại rắn bằng quy trình tẩy dầu mỡ và thiêu kết, ép đùn vật liệu - chẳng hạn như mô hình lắng đọng hợp nhất (FDM) và chế tạo cầu chì (FFF-cho phép cái này).
In 3D kim loại ứng dụng trong thiết kế gọn nhẹ
Chủ yếu được thể hiện ở các tính năng sau, công nghệ in 3D kim loại có lợi ích to lớn trong việc thiết kế trọng lượng nhẹ của các bộ phận hàng không.
Thiết kế tối ưu hóa cấu trúc: Các hình dạng hình học phức tạp của các bộ phận, bao gồm cấu trúc lưới rỗng, cấu trúc gia cố dạng bánh sandwich/thành mỏng, cấu trúc tích hợp và cấu trúc tối ưu hóa cấu trúc liên kết, có thể được sản xuất trực tiếp bằng in 3D kim loại. Những dạng kết cấu này làm giảm việc sử dụng vật liệu trong khi vẫn bảo toàn hoặc tăng cường độ bền của kết cấu, do đó đạt được thiết kế nhẹ.
Bao gồm các tấm mỏng và lõi dày, kết cấu gia cố dạng bánh sandwich/thành mỏng rỗng có thể phân phối ứng suất bên ngoài, tăng độ cứng và độ bền khi uốn cũng như tiết kiệm trọng lượng.
Cấu trúc mạng rỗng: Người ta có thể cân bằng độ bền, độ cứng và độ dẻo dai bằng cách thay đổi mật độ tương đối và cách sắp xếp ô đơn vị của mạng, do đó giảm trọng lượng hơn 70%.
Cấu trúc tối ưu hóa cấu trúc tổng thể: Sử dụng phương pháp toán học để tìm ra thiết kế kết cấu tối ưu, bằng cách thay đổi cấu trúc bên trong của đối tượng, giảm thiểu việc sử dụng vật liệu trong khi vẫn giữ được độ bền kết cấu. Hợp nhất nhiều bộ phận thành một thực thể, nhờ đó giảm cấu trúc kết nối như mặt bích và mối hàn, đơn giản hóa quy trình lắp ráp và tối ưu hóa thiết kế chức năng.
Cải thiện hiệu suất và lựa chọn vật liệu: Việc sử dụng trong hàng không vũ trụ sẽ rất phù hợp với nhiều loại hợp kim kim loại nhẹ, bao gồm hợp kim titan và hợp kim nhôm, có độ bền cao và mật độ thấp, do đó khá phù hợp với công nghệ in 3D kim loại. Hơn nữa, chất lượng cơ học và độ bền của vật liệu được nâng cao hơn nữa nhờ các thông số in tối ưu và kỹ thuật xử lý nhiệt.
tạo mẫu và sửa chữa nhanh: Việc sản xuất nhanh chóng các bộ phận nguyên mẫu được thực hiện bằng công nghệ in 3D kim loại giúp các nhà thiết kế xác nhận những ý tưởng thiết kế mới. Đồng thời, nó cũng có thể rút ngắn chu kỳ sửa chữa, giảm chi phí sản xuất, đạt được tốc độ sản xuất linh kiện nhanh và sửa chữa chính xác các bộ phận bị hư hỏng.
Các tình huống ứng dụng cụ thể
Ví dụ, sử dụng công nghệ in 3D kim loại, động cơ máy bay có thể tạo ra các thành phần cấu trúc phức tạp bao gồm buồng đốt và cánh tuabin. Các thành phần này đã được cải tiến để giảm mức tiêu thụ vật liệu đồng thời nâng cao hiệu suất và độ bền. Hơn nữa, có thể đạt được với các bộ phận quan trọng bao gồm thiết bị hạ cánh và giá đỡ máy bay. Các bộ phận này không chỉ có trọng lượng nhẹ mà còn tăng khả năng chịu tải và độ bền bằng cách tối ưu hóa thiết kế kết cấu. Công nghệ in 3D kim loại còn có thể giảm thiểu chi phí sản xuất, đơn giản hóa kỹ thuật sản xuất, cắt giảm cấu trúc lắp ráp và độ phức tạp.
https://www.china-3dprinting.com/metal-3d-printing/metal-3d-printing-compact-heat-exchanger.html