3D-printimine (tuntud ka kui lisatootmine) toodab osi digitaalsetest mudelitest, kasutades ehitusmaterjalide kiht-kihi meetodit. 3D-printimist kasutatakse laialdaselt polümeeride, metallide, betooni ja hüdrogeelide tootmiseks. Metall AM suudab toota väga erinevaid metalle, kuid alumiiniumi AM-i kasutatakse spetsiaalselt kosmose- ja autotööstuse jaoks mõeldud osade väljatöötamiseks.
Eelkõige on metallilisandite tootmine pälvinud palju tähelepanu tänu oma eelistele võrreldes traditsiooniliste tootmismeetoditega, nagu valamine, vormimine ja mehaaniline töötlemine.
Metallilisandite tootmist kasutatakse kosmose-, nafta- ja gaasi-, mere- ja autotööstuses tänu eelistele, nagu osade disainivabadus, osade keerukus, kerge kaal, osade integreerimine ja funktsionaalne disain. Lisaks on lisandite tootmine tööriistavaba tootmistehnika, mis võimaldab toota täistihedaid metallesemeid suure täpsusega lühema ajaga.
Alumiiniumi 3D-printimisel kasutatavad meetodid
Laser Powder Bed Fusion (LPBF) on meetod alumiiniumi 3D-printimiseks kõrgema pinnaviimistluse ja suure täpsusega. Protsess algab materjali lokaalse sulatamisega võimsa laseriga, mis seejärel moodustab pideva tahkunud metalli kihi. Selle tehnika puhul genereeritakse materjal ja osa tugi üheaegselt ning alumiiniumipõhise sulami omaduste põhjal saab protsessi parameetreid muuta, et häälestada poorsust, mikrostruktuuri ja materjali lõplikke omadusi.
Elektronkiire pulbrikihi liitmine on LPBF-ga sarnane meetod, milles metallipulbrite tahkestamiseks kasutatakse elektronkiirt. Tänu elektronkiire kõrgele töötlemistemperatuurile jahtub 3D-prinditud detaili monokiht järk-järgult, mille tulemuseks on LPBF-ga võrreldes konarlikum mikrostruktuur.
AlSi10Mg on alumiiniumsulam, mida tavaliselt kasutatakse alumiiniumi 3D-printimise tööstuslikes rakendustes. Selle eelised on kõrge tugevus, sitkus, dünaamiline mass, paremad soojusomadused ja ehitatavus.
AlSi7Mg on veel üks ülitugevast terasest sulam, mida kasutatakse kosmose-, kaitse- ja autotööstuse konstruktsioonikomponentides. 3D-prinditud AlSi7Mg peamised eelised on selle kerge kaal, korrosioonikindlus ja suur dünaamiline kandevõime.
Lisaks on teatud uuringud näidanud Al6061 ja Al7075 edukat printimist, mida varem peeti metallilisandite tootmismeetoditega kokkusobimatuks.
Viimased uuringud alumiiniumi 3D-printimise alal
Hiljutises ajakirjas Ceramics avaldatud uuringus printisid Hiina teadlased alumiiniumfosfaadiga seotud Al2O3 keraamikat, kasutades otsese tindiga kirjutamise meetodit. Nende peamine järeldus oli see, et Al2O3 keraamika kahanes anorgaaniliste sideainete lisamise tõttu ülimadala mõõtmetega.
Hiljutised uuringud on uurinud 3D-prinditud alumiiniumist komposiitkihtstruktuure kosmosetööstuse jaoks. Komposiitkihtstruktuuride 3D-printimine võib parandada kosmosetööstuse jätkusuutlikkust ja tootmise paindlikkust.
Nanomaterjalide lisamine alumiiniumile on ka metalli 3D-printimise uusim uurimisteema. Nanomaterjalid parandasid 3D-prinditud alumiiniumi mehaanilisi ja termilisi omadusi ning nanoosakeste liitmine 3D-printimise protsessis parandas 3D-prinditud alumiiniumi jõudlust.
Alumiiniumist 3D-printimise eelised
Alumiiniumist 3D-printimise eeliseks on see, et alumiiniumi mehaanilisi omadusi saab muuta mikrostruktuuri ja sisemise jõujaotuse muutmisega. Alumiiniumist 3D-printimise uuringud on näidanud ka materjali kokkuhoidu võrreldes traditsiooniliste meetoditega. Metallilisandite tootmist kasutavad kõrgtehnoloogilised tööstused on traditsiooniliste meetoditega võrreldes näidanud keerukate osade kiiremat tootmist, suuremat materjali tugevust ja plastilisuse eeliseid.
Alumiiniumilisandite tootmine võimaldab toota ka väga optimeeritud struktuure, mille valmistamine traditsiooniliste tootmismeetodite abil oleks muidu kallis, aeganõudev või isegi võimatu. Lisaks saab 3D-prinditud alumiiniumosi kasutada koos teiste osadega hübriidstruktuuride loomiseks.
Alumiiniumist 3D-printimist kasutades on võimalik valmistada ka energiat neelavate omaduste ja sisemise tugevdusomadustega konstruktsiooniosi. Lisaks saab konstruktsioonirakendustes tekkivaid soovimatuid jääkpingeid muuta soodsateks eelpingeteks.
Alumiiniumist 3D-printimise väljakutsed ja tuleviku ulatus
Alumiiniumist 3D-printimisel on mitmesuguste tööstuslike rakenduste jaoks endiselt olulisi väljakutseid. Mõnel juhul on alumiiniumi 3D-printimine kallim kui traditsioonilised tootmismeetodid. Metallist 3D-printimisel tuleb olemasolevaid disainimeetodeid muuta, et need vastaksid materjali omaduste ja muutuva geomeetria muutustele.
Metallilisandite tootmistehnoloogiat tuleb rohkem standardida ja rakendada uusi kvaliteeditagamisprotseduure, et tagada valmistatud osade töökindlus kogu nende elutsükli jooksul. Kuni nende tehniliste ja tööstuslike väljakutsetega tegeletakse, on alumiiniumist 3D-printimisel suur potentsiaal rakenduste jaoks erinevates tööstusharudes.