3D-utskrift (også kjent som additiv produksjon) produserer deler fra digitale modeller ved å bruke en lag-for-lag-metode for byggematerialer. 3D-utskrift er mye brukt til å produsere polymerer, metaller, betong og hydrogeler. Metal AM kan produsere et bredt utvalg av metaller, men aluminium AM brukes til å utvikle deler spesielt for romfarts- og bilindustrien.
Spesielt har metalladditivproduksjon fått mye oppmerksomhet på grunn av sine fordeler i forhold til tradisjonelle produksjonsmetoder som støping, forming og maskinering.
Metalltilsetningsproduksjon brukes i romfarts-, olje- og gass-, marine- og bilindustrien på grunn av fordeler som deldesignfrihet, delkompleksitet, lettvekt, delintegrering og funksjonell design. I tillegg er additiv produksjon en verktøyfri produksjonsteknikk som kan produsere helt tette metallgjenstander med høy presisjon på kortere tid.
Metoder som brukes i 3D-printing av aluminium
Laser Powder Bed Fusion (LPBF) er en metode for 3D-printing av aluminium med høyere overflatefinish og høy presisjon. Prosessen starter med å lokalt smelte materialet ved hjelp av en kraftig laser, som deretter danner et kontinuerlig lag av størknet metall. I denne teknikken genereres material- og delstøtte samtidig og basert på egenskapene til den aluminiumbaserte legeringen kan prosessparametere modifiseres for å justere porøsitet, mikrostruktur og endelige materialegenskaper.
Elektronstrålepulversjiktfusjon er en metode som ligner på LPBF der en elektronstråle brukes til å størkne metallpulver. På grunn av den høye prosesseringstemperaturen til elektronstrålen, avkjøles monolaget til den 3D-printede delen gradvis, noe som resulterer i en grovere mikrostruktur sammenlignet med LPBF.
AlSi10Mg er en aluminiumslegering som vanligvis brukes i 3D-printing av aluminiums industrielle applikasjoner. Fordelene er høy styrke, seighet, dynamisk masse, forbedrede termiske egenskaper og byggbarhet.
AlSi7Mg er en annen høyfast stållegering som brukes i strukturelle komponenter i fly-, forsvars- og bilindustrien. Hovedfordelene med 3D-printet AlSi7Mg er dens lette vekt, korrosjonsbestandighet og høye dynamiske lastbærende kapasitet.
I tillegg har visse studier vist vellykket trykking av Al6061 og Al7075, som tidligere ble ansett som uforenlige med produksjonsmetoder for metalladditiv.
Den siste forskningen innen 3D-printing av aluminium
I en fersk studie publisert i tidsskriftet Ceramics, trykket forskere i Kina aluminiumfosfatbundet Al2O3-keramikk ved å bruke en direkte blekkskrivemetode. Hovedfunnet deres var at Al2O3-keramikken viste ultralav dimensjonal krymping på grunn av tilsetning av uorganiske bindemidler.
Nyere forskning har utforsket 3D-printede aluminiumskomposittsandwichstrukturer for romfartsindustrien. 3D-utskrift av sammensatte sandwichstrukturer kan forbedre bærekraft og produksjonsfleksibilitet i romfartsindustrien.
Å legge til nanomaterialer til aluminium er også det siste forskningstemaet innen 3D-utskrift av metall. Nanomaterialer forbedret de mekaniske og termiske egenskapene til 3D-trykt aluminium, og sammensmeltingen av nanopartikler under 3D-utskriftsprosessen forbedret ytelsen til 3D-trykt aluminium.
Fordeler med 3D-utskrift i aluminium
Fordelen med 3D-utskrift av aluminium er at de mekaniske egenskapene til aluminium kan endres ved å endre mikrostrukturen og den indre kraftfordelingen. Forskning på 3D-printing i aluminium har også vist materialbesparelser sammenlignet med tradisjonelle metoder. Høyteknologiske industrier som bruker metalladditiv produksjon har vist raskere produksjon av komplekse deler, høyere materialstyrke og duktilitetsfordeler sammenlignet med tradisjonelle metoder.
Fremstilling av aluminiumsadditiv gjør det også mulig å produsere svært optimaliserte strukturer som ellers ville vært dyre, tidkrevende eller til og med umulig å produsere ved bruk av tradisjonelle produksjonsmetoder. I tillegg kan 3D-printede aluminiumsdeler brukes med andre deler for å lage hybridstrukturer.
Ved hjelp av 3D-printing i aluminium er det også mulig å fremstille strukturelle deler med energiabsorberende egenskaper og interne forsterkningsegenskaper. Videre kan uønskede restspenninger som genereres i konstruksjonsapplikasjoner omdannes til gunstige forspenninger.
Utfordringer og fremtidig omfang av 3D-printing i aluminium
Det gjenstår betydelige utfordringer innen 3D-utskrift av aluminium for en rekke industrielle bruksområder. I noen tilfeller er 3D-printing av aluminium dyrere enn tradisjonelle produksjonsmetoder. I metall 3D-utskrift må eksisterende designmetoder modifiseres for å imøtekomme endringer i materialegenskaper og variable geometrier.
Metalltilsetningsproduksjonsteknologi må standardiseres mer, og nye kvalitetssikringsprosedyrer må implementeres for å sikre at produserte deler er pålitelige gjennom livssyklusen. Så lenge disse tekniske og industrielle utfordringene løses, har 3D-printing i aluminium et stort potensial for bruk i ulike bransjer.