Quy trình in 3D hợp kim nhôm

Hợp kim nhôm, nhờ cường độ riêng tuyệt vời, tính dẫn nhiệt tốt và khả năng chống ăn mòn vượt trội, từ lâu đã được sử dụng rộng rãi làm vật liệu nhẹ trong ngành hàng không vũ trụ, sản xuất ô tô, thiết bị điện tử và các lĩnh vực khác. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ sản xuất bồi đắp, hợp kim nhôm in 3D-đang trở thành một giải pháp bổ sung quan trọng cho quá trình đúc khuôn, rèn và gia công CNC truyền thống-đặc biệt phù hợp với các bộ phận kết cấu phức tạp, các bộ phận tùy chỉnh-hàng loạt nhỏ và các bộ phận nguyên mẫu yêu cầu xác minh lặp đi lặp lại nhanh chóng. Hiểu được quy trình hoàn chỉnh của hợp kim nhôm in 3D{7}}giúp doanh nghiệp đánh giá tốt hơn khả năng ứng dụng công nghệ này trong quá trình phát triển sản phẩm của chính họ.

Quy trình chính của hợp kim nhôm in 3D-như sau:

Đầu tiên, phần mềm tạo mô hình 3D chuyên nghiệp như SolidWorks hoặc AutoCAD được sử dụng để thiết kế chính xác mô hình ba{1} chiều của thành phần hợp kim nhôm cần thiết. Mô hình này phải xem xét cẩn thận các yếu tố như hình dạng, kích thước và cấu trúc bên trong của bộ phận để đảm bảo rằng bộ phận được in cuối cùng đáp ứng các yêu cầu dịch vụ thực tế.

Ở giai đoạn này, các nhà thiết kế thường tận dụng tối đa quyền tự do thiết kế nhờ quá trình sản xuất bồi đắp và kết hợp các thuật toán tối ưu hóa cấu trúc liên kết để thực hiện thiết kế cấu trúc nhẹ trên thành phần. Vật liệu không cần thiết được loại bỏ trong khi hiệu suất cơ học được duy trì, do đó giảm hơn nữa trọng lượng bộ phận và tiết kiệm thời gian in ấn cũng như chi phí vật liệu. Ngoài ra, giai đoạn thiết kế phải xem xét toàn diện việc lựa chọn hướng xây dựng, cách bố trí các kết cấu hỗ trợ và các khoản phụ cấp dành cho gia công tiếp theo. Định hướng xây dựng không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt và độ chính xác về kích thước mà còn xác định trực tiếp lượng vật liệu hỗ trợ cần thiết và độ khó của việc xử lý bề mặt sau khi loại bỏ hỗ trợ. Đối với các kích thước quan trọng yêu cầu lắp ráp phù hợp hoặc gia công tiếp theo, các nhà thiết kế thường đặt ra mức cho phép gia công khoảng 0,2–0,5 mm để có thể đạt được dung sai cuối cùng thông qua các hoạt động hoàn thiện trong giai đoạn-gia công sau.

Mô hình ba chiều hoàn chỉnh-được nhập vào phần mềm cắt lát đi kèm với thiết bị in 3D. Phần mềm cắt thực hiện việc xử lý từng lớp của mô hình theo nguyên tắc làm việc và yêu cầu tham số của máy in 3D, tạo ra một chuỗi dữ liệu lát hai chiều. Những dữ liệu này xác định đường lắng đọng, độ dày và thông tin khác cho từng lớp vật liệu hợp kim nhôm.

Ngoài việc phân lớp cơ bản, phần mềm cắt lát còn thực hiện một số nhiệm vụ quan trọng ở giai đoạn này. Đầu tiên là việc tạo và tối ưu hóa tự động các cấu trúc hỗ trợ: đối với các phần nhô ra hoặc nghiêng dốc của mô hình, phần mềm sẽ tính toán một cách thông minh và bổ sung các hỗ trợ cần thiết để đảm bảo sự ổn định trong quá trình in đồng thời giảm thiểu khối lượng hỗ trợ để giảm khó khăn khi loại bỏ và lãng phí vật liệu sau này. Thứ hai là thiết lập các chiến lược đường quét, bao gồm trình tự và hướng quét ranh giới đường viền và quét lấp đầy bên trong; các tham số này ảnh hưởng trực tiếp đến sự phân bố ứng suất dư bên trong bộ phận và các tính chất cơ học cuối cùng của nó. Ngoài ra, phần mềm cắt lát phải đặt thông số độ dày lớp phù hợp tùy theo loại thiết bị. Các lớp mỏng hơn thường mang lại độ chính xác tạo hình và chất lượng bề mặt cao hơn nhưng kéo dài đáng kể thời gian in, do đó phải đạt được sự cân bằng giữa yêu cầu về độ chính xác và hiệu quả sản xuất.

In 3D hợp kim nhôm thường sử dụng bột hợp kim nhôm cụ thể làm nguyên liệu thô. Các loại bột này phải có khả năng chảy tốt, phân bố kích thước hạt đồng đều và các đặc tính khác để đảm bảo vận chuyển và thiêu kết trơn tru trong quá trình in.

Hiện nay, các loại bột hợp kim nhôm được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp chủ yếu bao gồm AlSi10Mg, AlSi7Mg và một số hệ thống hợp kim nhôm có độ bền-cao nhất định (chẳng hạn như dòng Al-Cu và bột hợp kim nhôm dòng Al-Sc-Zr mới). Trong số đó, AlSi10Mg, với hiệu suất tổng thể tốt và hệ thống tham số quy trình hoàn thiện, hiện là loại được áp dụng rộng rãi nhất. Nó có khả năng đúc tuyệt vời và các đặc tính cơ học ổn định, khiến nó rất phù hợp để in các bộ phận có thành mỏng và kết cấu phức tạp. Độ cầu của bột thường được yêu cầu phải vượt quá 95% và sự phân bố kích thước hạt thường được kiểm soát trong phạm vi 15–53 μm; Bột quá thô hoặc quá mịn sẽ ảnh hưởng đến độ đồng đều và chất lượng tạo hình của bột. Ngoài ra, bột hợp kim nhôm dễ dàng hấp thụ độ ẩm và có mức độ dễ cháy nhất định. Trong quá trình bảo quản và sử dụng, độ ẩm xung quanh phải được kiểm soát chặt chẽ, đồng thời phải thực hiện các biện pháp phòng chống cháy nổ{16}} và cháy{17}}tương ứng. Đây là điểm đặc biệt quan trọng trong việc quản lý an toàn trong in 3D hợp kim nhôm so với in các kim loại khác.

Trải bột: Thiết bị rải bột-của thiết bị in trải đều một lớp bột hợp kim nhôm mỏng trên bệ in.

Quá trình thiêu kết bằng laze: Chùm tia laze-được điều khiển bằng máy tính thiêu kết có chọn lọc lớp bột trải theo đường dẫn được xác định bởi dữ liệu lát cắt. Năng lượng laser nhanh chóng làm tan chảy và đông đặc các hạt bột ở các vùng cục bộ, từ đó tạo thành chất rắn ba{2} chiều tương ứng với từng lớp mô hình.

Tích lũy lớp-từng{1}}lớp: Các bước trải bột và thiêu kết bằng laze được lặp lại, thiêu kết bột hợp kim nhôm với nhau hết lớp này đến lớp khác cho đến khi toàn bộ thành phần được in.

Trong thực tế sản xuất, giai đoạn tạo hình bao gồm nhiều chi tiết đòi hỏi sự kiểm soát chính xác. Do hợp kim nhôm có độ phản xạ laser và độ dẫn nhiệt tương đối cao nên bột hợp kim nhôm dễ bị bóng, xốp và các khuyết tật khác trong quá trình tạo hình so với các vật liệu như hợp kim titan hoặc thép không gỉ. Do đó, các nhà sản xuất thiết bị thường cần tối ưu hóa đặc biệt sự kết hợp của các tham số quy trình-công suất laser, tốc độ quét, khoảng cách giữa các nắp, v.v.-đối với hợp kim nhôm. Toàn bộ quá trình tạo hình cũng phải được thực hiện bên trong buồng kín được bảo vệ bằng khí trơ như argon, với hàm lượng oxy được kiểm soát chặt chẽ ở mức cực thấp (thường dưới 100 ppm) để ngăn chặn bột nhôm phản ứng cao bị oxy hóa hoặc thậm chí phát nổ ở nhiệt độ cao. Ngoài ra, nền in thường được làm nóng trước vừa phải để giảm ứng suất dư do độ dốc nhiệt độ quá cao bên trong bộ phận gây ra và để giảm khả năng cong vênh và biến dạng trong quá trình in.

Sau khi in xong, bộ phận này có thể yêu cầu một số thao tác xử lý hậu kỳ nhất định, chẳng hạn như loại bỏ bột còn sót lại trên bề mặt, mài, đánh bóng và các biện pháp xử lý khác để cải thiện chất lượng và độ chính xác của bề mặt. Xử lý nhiệt và các quy trình khác cũng có thể được áp dụng để nâng cao hơn nữa hiệu suất của thành phần hợp kim nhôm.

Cụ thể,-xử lý hậu kỳ các bộ phận in 3D{2}} bằng hợp kim nhôm thường bao gồm các bước sau. Đầu tiên là loại bỏ bột và loại bỏ hỗ trợ: bột không tan còn sót lại bên trong các kênh bên trong và trên bề mặt phải được làm sạch hoàn toàn, đồng thời phải loại bỏ các cấu trúc hỗ trợ được thêm vào trong quá trình in. Bước này đặc biệt quan trọng đối với các bộ phận có khoang bên trong phức tạp và thường yêu cầu các thiết bị chuyên dụng như loại bỏ bột rung và lọc luồng khí. Thứ hai là xử lý nhiệt, bao gồm ủ-giảm căng thẳng và xử lý lão hóa dung dịch. Ủ giảm ứng suất-chủ yếu được sử dụng để loại bỏ ứng suất dư được tạo ra trong quá trình in và để ngăn ngừa biến dạng hoặc nứt trong quá trình sử dụng hoặc gia công tiếp theo. Đối với các loại như AlSi10Mg, việc xử lý lão hóa bằng dung dịch có thể tinh chỉnh thêm cấu trúc hạt và cải thiện độ bền cũng như độ dẻo của vật liệu, đưa các đặc tính cơ học gần bằng hoặc thậm chí vượt qua các đặc tính cơ học của các bộ phận hợp kim nhôm đúc khuôn truyền thống. Ngoài ra, đối với các bộ phận chịu tải quan trọng{13}}yêu cầu mật độ cao, có thể thực hiện ép nóng đẳng tĩnh (HIP); môi trường-nhiệt độ cao, áp suất{15}}cao giúp loại bỏ các khiếm khuyết về độ xốp cực nhỏ bên trong bộ phận và cải thiện hơn nữa hiệu suất mỏi. Cuối cùng, theo yêu cầu ứng dụng cụ thể của bộ phận, gia công cơ khí, phun cát, anodizing, phủ và các phương pháp xử lý bề mặt khác được áp dụng để đáp ứng các yêu cầu về độ chính xác về kích thước, chất lượng bề ngoài hoặc chức năng đặc biệt (như chống mài mòn, cách nhiệt hoặc thẩm mỹ).

Trong các quyết định lựa chọn thực tế, doanh nghiệp thường cần cân nhắc các hợp kim nhôm được in 3D-so với các quy trình đúc khuôn-truyền thống. Đúc khuôn truyền thống có lợi thế đáng kể về chi phí khi sản xuất số lượng lớn-; chi phí đơn vị giảm nhanh khi khối lượng tăng. Tuy nhiên, nó đòi hỏi phải phát triển các khuôn mẫu chuyên dụng ở giai đoạn đầu. Thiết kế và sản xuất khuôn thường mất vài tuần hoặc thậm chí vài tháng và bất kỳ thay đổi thiết kế nào thường có nghĩa là phải loại bỏ khuôn và tái đầu tư. Ngược lại, hợp kim nhôm in 3D-không cần khuôn nào cả; Sau khi tệp thiết kế được xác nhận, việc in ấn có thể bắt đầu trực tiếp. Nó đặc biệt thích hợp để xác minh nguyên mẫu nhanh chóng trong quá trình phát triển sản phẩm mới và để sản xuất các bộ phận có khối lượng thấp, phức tạp hoặc tùy chỉnh, khó tạo hình chỉ trong một bước bằng phương pháp đúc khuôn. Đồng thời, in 3D có thể tạo ra các kênh dòng chảy bên trong phức tạp, mạng lưới và các cấu trúc rỗng khó đạt được bằng phương pháp đúc khuôn, mang lại không gian thiết kế lớn hơn để giảm nhẹ sản phẩm và tích hợp chức năng.

Tận dụng lợi thế về trọng lượng nhẹ và tự do thiết kế, công nghệ hợp kim nhôm in 3D{1}}đã tìm thấy những ứng dụng thực tế trong nhiều lĩnh vực. Trong ngành hàng không vũ trụ, in 3D bằng hợp kim nhôm được sử dụng rộng rãi để sản xuất các bộ phận cấu trúc của UAV, giá đỡ vệ tinh và các bộ phận khác có yêu cầu nghiêm ngặt về-giảm trọng lượng. Trong sản xuất ô tô, các bộ phận kênh-dòng phức tạp như ống góp nạp và vỏ{7}}ống dẫn nước dành cho xe đua và xe hiệu suất-cao ngày càng được sản xuất bằng công nghệ in 3D bằng hợp kim nhôm tích hợp, giúp rút ngắn chu kỳ phát triển và cho phép thiết kế tối ưu hóa kênh-mà các quy trình truyền thống không thể đạt được. Trong lĩnh vực thiết bị điện tử và quản lý nhiệt, khả năng dẫn nhiệt tốt của hợp kim nhôm kết hợp với các cánh tản nhiệt-phức tạp và cấu trúc kênh mô phỏng sinh học{13}}mà in 3D có thể nhận ra được áp dụng rộng rãi trong sản xuất tản nhiệt và buồng hơi cho các thiết bị điện tử hiệu suất cao. Ngoài ra, trong sản xuất khuôn, in 3D bằng hợp kim nhôm được sử dụng để sản xuất các tấm lót khuôn có kênh làm mát phù hợp, rút ​​ngắn thời gian làm mát một cách hiệu quả trong sản xuất ép phun hoặc đúc khuôn{18}}và cải thiện hiệu quả sản xuất.

Thông qua sự phối hợp chặt chẽ giữa thiết kế mô hình, xử lý dữ liệu, chuẩn bị vật liệu, in/tạo hình và-xử lý hậu kỳ, công nghệ hợp kim nhôm in 3D-cung cấp một lộ trình kỹ thuật hiệu quả và linh hoạt để sản xuất các bộ phận hợp kim nhôm có cấu trúc-phức tạp, nhẹ. So với các quy trình gia công và-đúc khuôn truyền thống, công nghệ này thể hiện những ưu điểm độc đáo về khả năng tự do thiết kế, chu trình phát triển và sản xuất-theo lô nhỏ tùy chỉnh. Mặc dù thách thức vẫn còn ở-chi phí sản xuất khối lượng cao và các biện pháp kiểm soát chi tiết quy trình nhất định, với chi phí vật liệu bột hợp kim nhôm liên tục giảm và sự cải tiến liên tục của hệ thống tham số quy trình, hợp kim nhôm in 3D{10}}dự kiến ​​sẽ đạt được các ứng dụng sâu rộng hơn và sâu hơn trong ngành hàng không vũ trụ, sản xuất ô tô, quản lý nhiệt điện tử và nhiều lĩnh vực khác.