3D-printen (ook wel additive manufacturing genoemd) produceert onderdelen van digitale modellen met behulp van een laag-voor-laag methode van bouwmaterialen. 3D-printen wordt veel gebruikt om polymeren, metalen, beton en hydrogels te produceren. Metal AM kan een breed scala aan metalen produceren, maar aluminium AM wordt gebruikt om onderdelen te ontwikkelen die specifiek zijn voor de lucht- en ruimtevaart- en auto-industrie.
Met name additieve fabricage van metaal heeft veel aandacht gekregen vanwege de voordelen ervan ten opzichte van traditionele productiemethoden zoals gieten, vormen en machinaal bewerken.
Additieve productie van metaal wordt gebruikt in de lucht- en ruimtevaart-, olie- en gas-, scheepvaart- en auto-industrie vanwege voordelen zoals ontwerpvrijheid van onderdelen, complexiteit van onderdelen, lichtgewicht, onderdeelintegratie en functioneel ontwerp. Additieve fabricage is bovendien een fabricagetechniek zonder gereedschap waarmee in minder tijd volledig dichte metalen objecten met hoge precisie kunnen worden geproduceerd.
Methoden die worden gebruikt bij het 3D-printen van aluminium
Laser Powder Bed Fusion (LPBF) is een methode voor het 3D printen van aluminium met een hogere oppervlakteafwerking en hoge precisie. Het proces begint met het plaatselijk smelten van het materiaal met behulp van een krachtige laser, die vervolgens een continue laag gestold metaal vormt. Bij deze techniek worden materiaal- en onderdeelondersteuning gelijktijdig gegenereerd en op basis van de eigenschappen van de op aluminium gebaseerde legering kunnen procesparameters worden aangepast om de porositeit, microstructuur en uiteindelijke materiaaleigenschappen af te stemmen.
Elektronenbundelpoederbedfusie is een methode die vergelijkbaar is met LPBF, waarbij een elektronenbundel wordt gebruikt om metaalpoeders te laten stollen. Door de hoge verwerkingstemperatuur van de elektronenbundel koelt de monolaag van het 3D-geprinte deel geleidelijk af, wat resulteert in een ruwere microstructuur in vergelijking met LPBF.
AlSi10Mg is een aluminiumlegering die veel wordt gebruikt in industriële toepassingen van 3D-printen van aluminium. De voordelen zijn hoge sterkte, taaiheid, dynamische massa, verbeterde thermische eigenschappen en bouwbaarheid.
AlSi7Mg is een andere zeer sterke staallegering die wordt gebruikt in structurele componenten in de lucht- en ruimtevaart-, defensie- en auto-industrie. De belangrijkste voordelen van 3D-geprint AlSi7Mg zijn het lichte gewicht, de corrosieweerstand en het hoge dynamische draagvermogen.
Bovendien hebben bepaalde onderzoeken de succesvolle bedrukking van Al6061 en Al7075 aangetoond, die voorheen als onverenigbaar werden beschouwd met methoden voor het vervaardigen van additieven voor metaal.
Het nieuwste onderzoek naar 3D-printen van aluminium
In een recente studie gepubliceerd in het tijdschrift Ceramics, hebben onderzoekers in China aluminiumfosfaatgebonden Al2O3-keramiek geprint met behulp van een directe inktschrijfmethode. Hun belangrijkste bevinding was dat de Al2O3-keramiek een ultralage dimensionale krimp vertoonde door de toevoeging van anorganische bindmiddelen.
Recent onderzoek heeft 3D-geprinte sandwichstructuren van aluminiumcomposiet voor de lucht- en ruimtevaartindustrie onderzocht. 3D-printen van composiet sandwichstructuren kan de duurzaamheid en productieflexibiliteit in de lucht- en ruimtevaartindustrie verbeteren.
Het toevoegen van nanomaterialen aan aluminium is ook het nieuwste onderzoeksonderwerp op het gebied van 3D-printen van metaal. Nanomaterialen verbeterden de mechanische en thermische eigenschappen van 3D-geprint aluminium, en de fusie van nanodeeltjes tijdens het 3D-printproces verbeterde de prestaties van 3D-geprint aluminium.
Voordelen van aluminium 3D-printen
Het voordeel van aluminium 3D-printen is dat de mechanische eigenschappen van aluminium kunnen worden veranderd door de microstructuur en interne krachtverdeling te veranderen. Onderzoek naar aluminium 3D-printen heeft ook materiaalbesparingen aangetoond in vergelijking met traditionele methoden. Hightech-industrieën die gebruikmaken van additieve fabricage van metaal hebben een snellere productie van complexe onderdelen, hogere materiaalsterkte en ductiliteitsvoordelen laten zien in vergelijking met traditionele methoden.
Additieve productie van aluminium maakt ook de productie mogelijk van sterk geoptimaliseerde constructies die anders duur, tijdrovend of zelfs onmogelijk te vervaardigen zouden zijn met behulp van traditionele productiemethoden. Bovendien kunnen 3D-geprinte aluminium onderdelen worden gebruikt met andere onderdelen om hybride structuren te creëren.
Met behulp van aluminium 3D-printen is het ook mogelijk om constructiedelen te fabriceren met energieabsorberende eigenschappen en interne wapeningseigenschappen. Bovendien kunnen ongewenste restspanningen die in constructieve toepassingen worden gegenereerd, worden omgezet in gunstige voorspanningen.
Uitdagingen en toekomstige reikwijdte van aluminium 3D-printen
Er blijven aanzienlijke uitdagingen bij het 3D-printen van aluminium voor een verscheidenheid aan industriële toepassingen. In sommige gevallen is 3D-printen van aluminium duurder dan traditionele productiemethoden. Bij 3D-metaalprinten moeten bestaande ontwerpmethoden worden aangepast om veranderingen in materiaaleigenschappen en variabele geometrieën op te vangen.
Additieve fabricagetechnologie voor metaal moet meer worden gestandaardiseerd en er moeten nieuwe procedures voor kwaliteitsborging worden geïmplementeerd om ervoor te zorgen dat gefabriceerde onderdelen betrouwbaar zijn gedurende hun levenscyclus. Zolang deze technische en industriële uitdagingen worden aangepakt, heeft 3D-printen van aluminium een groot potentieel voor toepassingen in verschillende industrieën.