Jakie procesy produkcji addytywnej z wykorzystaniem aluminium są dostępne?

Niska gęstość, wysoka wytrzymałość właściwa i sztywność, dobra plastyczność, doskonała przewodność elektryczna i cieplna oraz dobra odporność na korozję sprawiają, że stopy aluminium są preferowanymi lekkimi materiałami konstrukcyjnymi w przemyśle lotniczym, transportowym i morskim. W miarę skracania się cykli rozwoju produktów tradycyjne procesy topienia, odlewania i kucia mają coraz większe trudności z zaspokojeniem popytu na złożone, precyzyjne elementy. Produkcja musi być wydajna, szybko reagować na zmiany projektowe oraz elastycznie dostosowywać się do skomplikowanej geometrii.

W produkcji addytywnej fizyczne elementy powstają warstwa po warstwie. W przemyśle lotniczym, biomedycznym i kolejowym technologia ta umożliwia szybką produkcję pojedynczych elementów lub małych serii, większą swobodę projektowania, dostosowywanie złożonych kształtów oraz skrócenie czasu wprowadzenia produktu na rynek, jednocześnie pokonując pewne ograniczenia związane ze skalą charakterystyczne dla metod konwencjonalnych.

Procesy wytwarzania addytywnego z wykorzystaniem aluminium klasyfikuje się głównie według zasady działania i źródła ciepła: wytwarzanie addytywne z wykorzystaniem lasera, wiązki elektronów, łuku elektrycznego, ultradźwięków oraz mieszania z tarciem. Każdy z nich charakteryzuje się odmiennymi właściwościami procesowymi.

Laserowa produkcja addytywna stopów aluminium

Laserowa produkcja addytywna wykorzystuje laser jako źródło ciepła i zapewnia wysoką dokładność formowania, stosunkowo niewielką liczbę wad wewnętrznych oraz dobre właściwości mechaniczne. Zazwyczaj stosuje się w niej proszek ze stopu aluminium. Nieregularne szczeliny między cząstkami proszku mogą obniżać gęstość elementu, natomiast wysoka odbijalność lasera przez większość stopów aluminium zmniejsza efektywność energetyczną. Metoda ta jest zatem stosowana głównie w przypadku odlewanych stopów aluminium lub stopów o dobrej spawalności.

Dwa główne warianty to nanoszenie metodą topienia laserowego z zsynchronizowanym podawaniem proszku metalowego oraz fuzja laserowa w złożu proszkowym. W pierwszym przypadku proszek jest podawany w sposób ciągły; w drugim – kolejne warstwy są precyzyjnie topione w złożu proszkowym w celu utworzenia złożonych struktur.

Stopy Al-Si charakteryzują się dobrymi właściwościami odlewniczymi i formowania na gorąco i są przedmiotem szeroko zakrojonych badań. Naukowcy z Uniwersytetu Xi’an Jiaotong zoptymalizowali moc lasera, prędkość skanowania oraz odstępy między liniami skanowania w procesie selektywnego topienia laserowego stopu AlSi10Mg oraz wprowadzili model gęstości energii opisujący zależność między dostarczaną energią a gęstością. Przy wartościach od 4,0 do 6,0 J/mm², gęstość przekroczyła 98%. Instytut Badań Metali Chińskiej Akademii Nauk wyprodukował próbki AlSi10Mg o gęstości 99,63% i dobrych właściwościach mechanicznych, a następnie porównał różne procesy obróbki cieplnej dla materiału zorientowanego równolegle do płyty roboczej. Wytrzymałość na rozciąganie w płaszczyźnie poziomej w stanie po osadzeniu osiągnęła 478 MPa, wydłużenie wyniosło około 8%, a średnia twardość wynosiła około 122 HV. Po starzeniu w temperaturze 130°C przez 4 godziny jeziorka stopu zachowały kompletną, sieciową strukturę krzemową. Plastyczność wzrosła do około 11,91 TP33T przy zachowaniu wysokiej wytrzymałości, a średnia twardość wzrosła do 133 HV, czyli o około 91 TP33T powyżej wartości w stanie po nałożeniu.

Obróbka laserowa stopów aluminium o wysokiej wytrzymałości z serii 2xxx i 7xxx nadal stanowi wyzwanie. Naukowcy ograniczają liczbę wad wewnętrznych i poprawiają właściwości mechaniczne poprzez optymalizację parametrów, stosowanie nanocząstek jako środków zarodkujących, modyfikację składu oraz obróbkę końcową. W eksperymentach dotyczących laserowego spawania z wykorzystaniem łoża proszkowego, w których zastosowano proszki 7075 o różnej zawartości krzemu, wywołane krzemem rozdrobnienie ziaren znacznie ograniczyło powstawanie mikropęknięć.

Produkcja addytywna stopów aluminium za pomocą wiązki elektronów

Produkcję addytywną z wykorzystaniem wiązki elektronów dzieli się, w zależności od rodzaju surowca, na topienie w łożysku proszkowym za pomocą wiązki elektronów oraz produkcję addytywną z podawaniem drutu za pomocą wiązki elektronów.

W procesie topienia proszku w łóżku proszkowym za pomocą wiązki elektronów jako źródła ciepła w próżni wykorzystuje się wiązkę elektronów. Szybkie skanowanie powoduje ogrzewanie i topienie proszku metalowego warstwa po warstwie, co prowadzi do utworzenia elementu. W technologii addytywnej z podawaniem drutu za pomocą wiązki elektronów drut podawany synchronicznie jest topiony za pomocą wiązki o wysokiej energii i nakładany warstwa po warstwie wzdłuż ścieżki określonej przez CAD, aż do utworzenia gęstego elementu. Ponieważ absorpcja wiązki elektronowej jest ponad dwukrotnie większa niż wiązki laserowej, technologia ta ma znaczny potencjał w przypadku stopów aluminium o wysokiej wytrzymałości.

Badania są nadal ograniczone i skupiają się głównie na procesach z wykorzystaniem wiązki elektronów i podawania drutu. Centrum Badawcze NASA Langley zbadało zakres parametrów obróbki stopu aluminium 2219 oraz wpływ prędkości przesuwu, szybkości podawania drutu i mocy wiązki na mikrostrukturę i właściwości mechaniczne. Brice z Lockheed Martin Space Systems wyprodukował próbki stopu aluminium 2139 metodą osadzania energii kierowanej wiązką elektronową i ocenił, w jaki sposób odparowanie magnezu wpłynęło na wytrącanie się faz i właściwości mechaniczne; strata magnezu podczas osadzania wyniosła 65%. Naukowcy z Uniwersytetu Tsinghua zbadali obróbkę stopu aluminium 2024 metodą obróbki w złożu proszkowym z wykorzystaniem wiązki elektronowej. Natężenie prądu wiązki i prędkość skanowania miały znaczący wpływ na gęstość względną i mikrostrukturę. Wzdłuż granic ziaren w matrycy α-Al tworzyły się wydzieliny zawierające miedź, mangan i żelazo. Odpowiednie parametry pozwoliły uzyskać wytrzymałość na rozciąganie do 314 MPa oraz wydłużenie wynoszące 6%.

Produkcja addytywna metodą łukową stopów aluminium

W technologii wytwarzania addytywnego z wykorzystaniem łuku elementy są budowane warstwa po warstwie przy użyciu źródła ciepła w postaci łuku elektrycznego oraz zsynchronizowanego podawania drutu. Wysoki stopień wykorzystania materiału, stosunkowo niski koszt sprzętu oraz duża przestrzeń robocza sprawiają, że technologia ta nadaje się do wytwarzania dużych, złożonych konstrukcji. Jednak duży wkład ciepła podczas spawania oraz stosunkowo niska jakość powierzchni i dokładność zazwyczaj wymagają znacznej obróbki końcowej. Głównym celem badań jest zmniejszenie wniesienia ciepła w celu poprawy dokładności i jakości powierzchni.

Badania nad stopami z serii 6xxx i 7xxx są stosunkowo ograniczone. W procesie spawania łukowego w osłonie gazów metalowych oraz spawania łukowego wolframem w osłonie gazów udało się nałożyć stopy 4047, 5356, 2024 i 7075. Próbki wykazały wyższą wytrzymałość na rozciąganie niż próbki wytworzone metodami konwencjonalnymi oraz drobniejszą strukturę ziarna.

W procesie transferu zimnego metalu uzyskano również próbki stopów aluminium 2319, 5087 i 5183 o drobnym ziarnie, niewielkiej liczbie porów i lepszych właściwościach mechanicznych. W osadach stopu aluminium 5336 uzyskanych metodą transferu metalu na zimno prawie nie zaobserwowano struktur ziaren równokątnych ani kolumnowych, a wielkość ziaren zmniejszała się wraz z doprowadzanym ciepłem. Doprowadzona energia cieplna decyduje o geometrii, mikrostrukturze, defektach oraz właściwościach mechanicznych i chemicznych. Nierównomierne ogrzewanie i chłodzenie podczas osadzania wielowarstwowego, zwłaszcza przy wysokim doprowadzeniu energii cieplnej, może powodować gromadzenie się ciepła, powstawanie gruboziarnistych ziaren, naprężeń szczątkowych i odkształceń. Skuteczna obróbka wymaga kontroli prądu, napięcia, prędkości podawania drutu, prędkości przesuwu oraz innych zmiennych.

Ultradźwiękowa produkcja addytywna stopów aluminium

W procesie ultradźwiękowej produkcji addytywnej wykorzystuje się energię ultradźwiękową o dużej mocy. Drgania i tarcie między warstwami folii ze stopu aluminium powodują wytwarzanie ciepła, sprzyjają dyfuzji atomowej na granicy faz oraz tworzą metalurgiczne wiązanie w stanie stałym.

Naukowcy z Uniwersytetu Tohoku w Japonii zbadali mikrostrukturę i rozmieszczenie faz na granicy faz w procesie ultradźwiękowej produkcji addytywnej stopu aluminium 6061. Granica faz ma znaczący wpływ na mikrostrukturę, ponieważ siła napędzająca rekrystalizację powoduje mikroskopijne zmiany fazowe w obszarze granicy faz, a na samej granicy powstają pory.

Praca w niskiej temperaturze zapobiega odparowywaniu pierwiastków stopowych i pozwala zachować właściwości połączenia, dzięki czemu proces ten nadaje się szczególnie do aluminium. Ograniczenia eksportowe dotyczące zaawansowanego sprzętu oraz ograniczone badania krajowe wskazują na duży potencjał badawczy. Nie opracowano jeszcze kompletnego modelu teoretycznego dyfuzji atomowej na granicy faz, a nie istnieje ujednolicona struktura opisująca plastyczne odkształcenie międzyfazowe i nagrzewanie się w wyniku tarcia. Dalszy rozwój ma kluczowe znaczenie dla dokładności, wydajności i komercjalizacji.

Produkcja addytywna stopów aluminium metodą mieszania z tarciem

Technologia wytwarzania addytywnego metodą mieszania ciernego wywodzi się ze spawania mieszania ciernego. Szybko obracające się narzędzie wnika w blachę aluminiową i przemieszcza się wzdłuż wyznaczonego kierunku. Ciepło powstające w wyniku tarcia powoduje uplastycznienie i zmiękczenie materiału, który przepływa za narzędziem, wypełniając wnękę i tworząc jedną warstwę osadzoną. Następnie kolejne warstwy materiału są nakładane i przetwarzane wzdłuż tej samej ścieżki. Źródło wskazuje, że uzyskane w ten sposób właściwości mechaniczne mogą dorównać odkuwkom, jednak część tego zdania jest niekompletna.

Naukowcy z Politechniki Północno-Zachodniej wprowadzili technologię wytwarzania addytywnego metodą mieszania ciernego ze stacjonarnym ramieniem i z powodzeniem wyprodukowali elementy z wysokowytrzymałego stopu aluminium 7075-O. Zbadali zachowanie przepływu metalu podczas nakładania i zaobserwowali znaczne różnice w mikrostrukturze oraz właściwościach mechanicznych wzdłuż kierunku budowania. W porównaniu z konwencjonalną technologią mieszania ciernego z obrotowym ramieniem, w tej metodzie ramię stacjonarne pozostaje nieruchome, podczas gdy trzpień obraca się z dużą prędkością podczas zgrzewania, co eliminuje strefę wpływu ramienia i umożliwia wytwarzanie elementów o kształcie zbliżonym do docelowego.

Wytwarzanie addytywne metodą mieszania z tarciem (FSI) z wykorzystaniem aluminium 2024 o wysokiej wytrzymałości pozwoliło uzyskać rekrystalizowaną strukturę o drobnych, równokątnych ziarnach. Wielkość ziaren zmniejszała się od spodu w kierunku górnej części obiektu. Faza druga uległa ponownemu rozpuszczeniu; jej ogólna zawartość była znacznie niższa niż w podłożu, ale wzrastała od dołu do góry. Chociaż uniknięcie topnienia i krzepnięcia znacznie ogranicza liczbę defektów wewnętrznych, nieodpowiednie parametry procesu mogą nadal powodować powstawanie defektów międzyfazowych.

Naukowcy z Pekińskiego Instytutu Technologii przeanalizowali mechanizm formowania w procesie addytywnego wytwarzania metodą mieszania z tarciem w przypadku stopu aluminium 2024-O. Skupili się na różnicach w właściwościach mechanicznych w zależności od kierunku oraz na ich przyczynach, a także osiągnęli bezdefektowe nakładanie wielowarstwowe w wielu przejściach.

Trendy rozwojowe

Produkcja addytywna z wykorzystaniem aluminium ma duży potencjał zarówno w zastosowaniach wojskowych, jak i cywilnych, ponieważ umożliwia tworzenie skomplikowanych, precyzyjnych kształtów oraz konstrukcji o zmniejszonej masie. Główne kierunki badań obejmują opracowywanie nowych procesów oraz dogłębną analizę zależności między procesem, mikrostrukturą a właściwościami materiału. Badania muszą wyjaśnić proces powstawania naprężeń oraz umożliwić kontrolę wielkości i rozkładu naprężeń szczątkowych, zwłaszcza w dużych, złożonych elementach. Muszą one również wyjaśnić procesy przenoszenia masy, krzepnięcia w stanie nierównowagi, chłodzenia, metalurgii fizycznej oraz przemian fazowych w mikroskalowych jeziorkach stopu, tak aby można było precyzyjnie kontrolować mikrostrukturę. Eksperymenty w połączeniu z symulacjami numerycznymi pozwalają przewidywać pola temperatury i zarządzać strefami wpływu ciepła. Hybrydowe urządzenia łączące druk addytywny z frezowaniem mogą poprawić dokładność formowania i zapewnić precyzyjne wykończenie. Udoskonalenia procesów i sprzętu mogą wyeliminować porowatość, zwiększyć gęstość i poprawić ogólne właściwości mechaniczne, przyczyniając się do rozwoju technologii w kierunku większej dokładności, wydajności i funkcjonalności.