Welke productiemethoden voor het 3D-printen met aluminium zijn er?

Dankzij hun lage dichtheid, hoge specifieke sterkte en stijfheid, goede vervormbaarheid, uitstekende elektrische en thermische geleidbaarheid en goede corrosiebestendigheid zijn aluminiumlegeringen de voorkeursmaterialen voor lichtgewicht constructies in de lucht- en ruimtevaart, het transport en de scheepvaart. Naarmate de productontwikkelingscycli korter worden, hebben conventionele smelt-, giet- en smeedprocessen steeds meer moeite om aan de vraag naar complexe precisieonderdelen te voldoen. De productie moet efficiënt zijn, snel reageren op ontwerpwijzigingen en zich flexibel aanpassen aan ingewikkelde geometrie.

Bij additive manufacturing worden fysieke onderdelen laag voor laag opgebouwd. In de lucht- en ruimtevaart, de biogeneeskunde en het spoorvervoer maakt deze techniek een snelle productie van losse onderdelen of kleine series mogelijk, biedt ze meer ontwerpvrijheid, maakt ze het mogelijk complexe vormen op maat te vervaardigen en verkort ze de tijd tot marktintroductie, terwijl tegelijkertijd bepaalde schaalbeperkingen van conventionele methoden worden overwonnen.

Productieprocessen voor additieve fabricage met aluminium worden voornamelijk ingedeeld op basis van het werkingsprincipe en de warmtebron: laser-, elektronenstraal-, boog-, ultrasone en wrijvingsroer-additieve fabricage. Elk proces heeft zijn eigen specifieke kenmerken.

Laser-additieve productie van aluminiumlegeringen

Bij laser-additieve fabricage wordt gebruikgemaakt van een laser als warmtebron. Deze methode biedt een hoge vormnauwkeurigheid, relatief weinig interne defecten en goede mechanische eigenschappen. Meestal wordt poeder van een aluminiumlegering gebruikt. Onregelmatige openingen tussen de poederdeeltjes kunnen de dichtheid van het onderdeel verminderen, terwijl de hoge laserreflectiviteit van de meeste aluminiumlegeringen de energie-efficiëntie vermindert. De methode wordt daarom voornamelijk toegepast voor gegoten aluminiumlegeringen of legeringen met een goede lasbaarheid.

De twee belangrijkste varianten zijn lasersmeltdepositie met gesynchroniseerde toevoer van metaalpoeder en laserpoederbedfusie. Bij de eerste methode wordt het poeder continu aangevoerd; bij de tweede worden opeenvolgende lagen in een poederbed nauwkeurig gesmolten om complexe structuren te vormen.

Al-Si-legeringen hebben goede giet- en warmvervormingseigenschappen en zijn uitgebreid onderzocht. Onderzoekers van de Xi’an Jiaotong-universiteit hebben het laservermogen, de scansnelheid en de afstand tussen de scanlijnen geoptimaliseerd voor het selectief lasersmelten van AlSi10Mg en hebben een energiedichtheidsmodel geïntroduceerd dat de relatie tussen energie-inbreng en dichtheid beschrijft. Bij 4,0 tot 6,0 J/mm², waarbij de dichtheid hoger was dan 98%. Het Instituut voor Metaalonderzoek van de Chinese Academie van Wetenschappen produceerde AlSi10Mg-proefstukken met een dichtheid van 99,63% en goede mechanische eigenschappen, en vergeleek verschillende warmtebehandelingen voor materiaal dat parallel aan de bouwplaat was georiënteerd. De horizontale treksterkte van het vers gedeponeerde materiaal bedroeg 478 MPa, de rek was ongeveer 8% en de gemiddelde hardheid was ongeveer 122 HV. Na 4 uur veroudering bij 130 °C behielden de smeltbaden een volledige, netwerkachtige siliciumstructuur. De plasticiteit steeg tot ongeveer 11,91 TP33T terwijl de hoge sterkte behouden bleef, en de gemiddelde hardheid nam toe tot 133 HV, ongeveer 91 TP33T boven de waarde direct na het afzetten.

Laserbewerking van hoogsterke aluminiumlegeringen uit de 2xxx- en 7xxx-serie blijft een uitdaging. Onderzoekers verminderen interne defecten en verbeteren de mechanische eigenschappen door middel van parameteroptimalisatie, nanodeeltjes als kristalzaad, aanpassing van de samenstelling en nabewerking. In experimenten met laserpoederbedfusie waarbij 7075-poeders met verschillende siliciumgehaltes werden gebruikt, zorgde door silicium geïnduceerde korrelverfijning voor een aanzienlijke vermindering van microscheurtjes.

Additieve productie van aluminiumlegeringen met behulp van een elektronenstraal

Additieve fabricage met een elektronenstraal wordt, op basis van het uitgangsmateriaal, onderverdeeld in additieve fabricage met een elektronenstraal en poederbedsmelting en additieve fabricage met een elektronenstraal en draadaanvoer.

Bij het smelten van een poederbed met een elektronenstraal wordt in een vacuüm een elektronenstraal als warmtebron gebruikt. Door middel van snelle scanning wordt metaalpoeder laag voor laag verwarmd en gesmolten om zo een onderdeel te vormen. Bij additieve fabricage met elektronenstraal en draadaanvoer wordt synchroon aangevoerde draad gesmolten met een hoogenergetische straal en laag voor laag langs een CAD-gedefinieerd pad afgezet totdat een compact onderdeel is gevormd. Omdat de absorptie van een elektronenstraal meer dan twee keer zo groot is als die van een laserstraal, biedt de technologie aanzienlijke mogelijkheden voor hoogsterke aluminiumlegeringen.

Het onderzoek is nog beperkt en richt zich voornamelijk op elektronenstraalprocessen met draadaanvoer. Het NASA Langley Research Center heeft het verwerkingsbereik voor de 2219-aluminiumlegering onderzocht, evenals de effecten van de verplaatsingssnelheid, de draadaanvoersnelheid en het straalvermogen op de microstructuur en de mechanische eigenschappen. Brice van Lockheed Martin Space Systems produceerde 2139-aluminiummonsters door middel van elektronenstraal-gerichte-energieafzetting en evalueerde hoe magnesiumverdamping de precipitatie en mechanische prestaties beïnvloedde; het magnesiumverlies bedroeg 65% tijdens de afzetting. Onderzoekers aan de Tsinghua-universiteit bestudeerden de elektronenstraal-poederbedbewerking van de 2024-aluminiumlegering. De straalstroom en de scansnelheid hadden een aanzienlijke invloed op de relatieve dichtheid en de microstructuur. Er vormden zich neerslagproducten met koper, mangaan en ijzer langs de korrelgrenzen in de α-Al-matrix. Met geschikte parameters werden een treksterkte tot 314 MPa en een rek van 6% bereikt.

Boog-additieve productie van aluminiumlegeringen

Bij boog-additive manufacturing worden onderdelen laag voor laag opgebouwd met behulp van een boogwarmtebron en een gesynchroniseerde draadaanvoer. Dankzij het hoge materiaalbenuttingspercentage, de relatief lage apparatuurkosten en een groot bouwvolume is deze techniek geschikt voor grote, complexe structuren. De hoge warmte-inbreng bij het lassen en de relatief slechte oppervlaktekwaliteit en nauwkeurigheid vereisen echter doorgaans een omvangrijke nabewerking. Het verminderen van de warmte-inbreng om de nauwkeurigheid en oppervlaktekwaliteit te verbeteren, is een belangrijk onderzoeksdoel.

Het onderzoek naar legeringen uit de 6xxx- en 7xxx-serie is relatief beperkt. Met behulp van gas-metaalbooglassen en gas-wolfraam-booglassen zijn de legeringen 4047, 5356, 2024 en 7075 met succes aangebracht. De proefstukken vertoonden een hogere treksterkte dan conventioneel vervaardigde proefstukken en een fijnere korrelstructuur.

Met behulp van de ‘cold metal transfer’-methode zijn ook proefstukken van de aluminiumlegeringen 2319, 5087 en 5183 vervaardigd met een fijne korrelstructuur, weinig poriën en verbeterde mechanische eigenschappen. In afzettingen van aluminiumlegering 5336 via koude-metaaloverdracht werden vrijwel geen equiaxiale of kolomvormige korrelstructuren waargenomen, en de korrelgrootte nam af naarmate de warmte-inbreng toenam. De warmte-inbreng bepaalt de geometrie, microstructuur, defecten en mechanische en chemische eigenschappen. Ongelijkmatige verwarming en afkoeling tijdens meerlaagse afzetting, vooral bij een hoge warmte-inbreng, kunnen leiden tot warmteophoping, grove korrels, restspanning en vervorming. Voor een succesvolle verwerking is het noodzakelijk om de stroom, spanning, draadaanvoersnelheid, verplaatsingssnelheid en andere variabelen te regelen.

Ultrasone additieve fabricage van aluminiumlegeringen

Bij ultrasone additive manufacturing wordt gebruikgemaakt van krachtige ultrasone energie. Trillingen en wrijving tussen de folielagen van aluminiumlegering wekken warmte op, bevorderen de atomaire diffusie aan het grensvlak en zorgen voor een metallurgische binding in vaste toestand.

Onderzoekers van de Tohoku-universiteit in Japan hebben de microstructuur en de verdeling aan het grensvlak onderzocht bij de ultrasone additive manufacturing van de 6061-aluminiumlegering. Het grensvlak heeft een aanzienlijke invloed op de microstructuur: de drijvende kracht achter herkristallisatie veroorzaakt microscopische faseveranderingen in het grensvlakgebied, en er ontstaan poriën aan het grensvlak.

Door het proces bij lage temperatuur uit te voeren, wordt verdamping van legeringselementen voorkomen en blijven de eigenschappen van de verbinding behouden, waardoor het proces bijzonder geschikt is voor aluminium. Exportbeperkingen op geavanceerde apparatuur en beperkt binnenlands onderzoek zorgen ervoor dat er nog veel onderzoekspotentieel is. Er is nog geen volledig theoretisch model voor atomaire diffusie aan het materiaalgrensvlak vastgesteld, en er bestaat geen uniform raamwerk dat plastische vervorming aan het grensvlak en wrijvingsverwarming beschrijft. Verdere ontwikkeling is belangrijk voor de nauwkeurigheid, efficiëntie en commercialisering.

Additieve fabricage van aluminiumlegeringen door middel van wrijvingsroeren

Additive manufacturing door middel van wrijvingsroeren is voortgekomen uit wrijvingsroerlassen. Een snel roterend gereedschap dringt door in een aluminiumplaat en beweegt zich in een vooraf bepaalde richting voort. Door de wrijvingswarmte wordt het materiaal plastisch en zacht, waarna het achter het gereedschap meevloeit om de holte op te vullen en zo één afgezette laag te vormen. Vervolgens wordt extra materiaal langs hetzelfde traject opgestapeld en verwerkt. De bron geeft aan dat de resulterende mechanische eigenschappen die van smeedstukken kunnen evenaren, maar een deel van deze zin is onvolledig.

Onderzoekers van de Northwestern Polytechnical University hebben een additieve fabricagemethode met wrijvingsroeren en een stationaire schouder geïntroduceerd en hebben hiermee met succes componenten van de hoogsterke 7075-O-aluminiumlegering vervaardigd. Zij hebben het stromingsgedrag van het metaal tijdens het afzetten onderzocht en aanzienlijke variaties in microstructuur en mechanische eigenschappen waargenomen in de richting van de opbouw. In vergelijking met de conventionele ‘rotating-shoulder’-wrijvingsroertechnologie blijft de schouder bij deze methode vaststaan, terwijl de pen tijdens het lassen met hoge snelheid draait. Hierdoor wordt de door de schouder beïnvloede zone geëlimineerd en wordt productie met een vorm die dicht bij de uiteindelijke vorm ligt mogelijk gemaakt.

Bij de additieve fabricage met wrijvingsroeren van hoogsterk 2024-aluminium ontstond een herkristalliseerde, fijne structuur met equiaxiale korrels. De korrelgrootte nam af van de onderkant naar de bovenkant van het opgebouwde werkstuk. De tweede fase loste opnieuw op; het totale gehalte ervan was aanzienlijk lager dan in het substraat, maar nam van onder naar boven toe. Hoewel het vermijden van smelten en stollen interne defecten sterk vermindert, kunnen ongeschikte procesparameters nog steeds defecten aan de grensvlakken veroorzaken.

Onderzoekers van het Beijing Institute of Technology hebben het vormingsmechanisme van additive manufacturing via wrijvingsroeren voor 2024-O-aluminium geanalyseerd. Zij richtten zich op richtingsafhankelijke verschillen in mechanische eigenschappen en de oorzaken daarvan, en slaagden erin een defectvrije meerlaagse afzetting in meerdere passages te realiseren.

Ontwikkelingstrends

Additieve fabricage met aluminium biedt grote mogelijkheden voor zowel militaire als civiele toepassingen, omdat deze techniek complexe precisievormgeving en lichtgewichtontwerpen mogelijk maakt. Belangrijke aandachtsgebieden zijn onder meer de ontwikkeling van nieuwe processen en diepgaander onderzoek naar de verbanden tussen proces, microstructuur en eigenschappen. Het onderzoek moet inzicht verschaffen in spanningsvorming en de omvang en verdeling van restspanningen beheersen, met name in grote, complexe componenten. Ook moet het onderzoek duidelijkheid verschaffen over massatransfer, stolling buiten evenwicht, afkoeling, fysische metallurgie en faseovergangen in smeltbaden op microschaal, zodat de microstructuur nauwkeurig kan worden beheerst. Experimenten in combinatie met numerieke simulatie kunnen temperatuurvelden voorspellen en door warmte beïnvloede zones beheersen. Hybride apparatuur voor additive manufacturing en frezen kan de vormnauwkeurigheid verbeteren en zorgen voor een nauwkeurige afwerking. Verbeteringen in processen en apparatuur kunnen porositeit elimineren, de dichtheid verhogen en de algemene mechanische eigenschappen verbeteren, waardoor de technologie zich ontwikkelt in de richting van grotere nauwkeurigheid, efficiëntie en functionaliteit.