Overzicht van de productie van aluminiumadditieven
Additieve productie van aluminium, ook bekend als 3D-geprint aluminium, verwijst naar het proces waarbij aluminium onderdelen laag voor laag worden gemaakt met behulp van 3D-printtechnologieën. Het maakt de creatie van complexe geometrieën en op maat gemaakte aluminium onderdelen mogelijk zonder de noodzaak van traditionele bewerkingsmethoden.
Enkele belangrijke details over additieve productie van aluminium:
- Wordt gebruikt in sectoren als de lucht- en ruimtevaart, de automobielsector, de medische sector en consumentenproducten voor prototypes, gereedschappen en onderdelen voor eindgebruik
- Biedt ontwerpvrijheid, vermindert het gewicht en consolideert assemblages tot één stuk
- Produceert sterke, duurzame aluminium onderdelen met materiaaleigenschappen die vergelijkbaar zijn met traditionele productie
- Maakt gebruik van 3D-printtechnologieën voor metaal, zoals poederbedfusie en gerichte energiedepositie
- Aluminiumlegeringen zoals AlSi10Mg, Scalmalloy en Al6061 worden vaak gebruikt
- Nabewerking zoals heet isostatisch persen en CNC-bewerking zijn vereist om de kwaliteit van het uiteindelijke onderdeel te bereiken
Typen apparatuur voor de productie van aluminiumadditieven
| Uitrustingstype | Beschrijving | Materialen | Bouwgrootte | Nauwkeurigheid | Oppervlakteafwerking | Kosten |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Poederbedfusie | Maakt gebruik van een laser- of elektronenstraal om metaalpoederlagen selectief te smelten en samen te smelten | Aluminiumlegeringen, titanium, staal, superlegeringen | Klein tot middelgroot | Hoog (tot 0,1 mm) | Ruw zoals afgedrukt, goed na bewerking | Hoog (>$500K-machine) |
| Gerichte energiedepositie | Focust energiebronnen zoals een laser-/elektronenstraal op specifieke plekken, terwijl vulmetaalpoeder wordt toegevoegd om het onderdeel op te bouwen | Aluminiumlegeringen, titanium, staal, superlegeringen | Middelgroot tot groot | Middelmatig (0,5 mm tot 1 mm) | Ruw zoals afgedrukt, redelijk na bewerking | Hoog (>$500K-machine) |
| Binder jetting | Bindt metaalpoeder met behulp van vloeibaar bindmiddel, sintert het onderdeel na het printen | Aluminiumlegeringen, staal | Medium | Middelmatig (0,5 mm tot 1 mm) | Ruw (vereist infiltrerende legering) | Lager ($150K tot $300K-machine) |
Toepassingen van aluminium additieve productie
| Industrie | Toepassingsvoorbeelden | Voordelen |
|---|---|---|
| Lucht- en ruimtevaart | Vliegtuig- en raketmotoronderdelen, beugels, ondersteunende structuren | Lichtgewicht, aangepaste geometrieën |
| Automobiel | Op maat gemaakte beugels, warmtewisselaars, mallen en armaturen | Geconsolideerde assemblages, snelle prototyping |
| Medisch | Tandheelkundige copings, orthopedische implantaten, chirurgische instrumenten | Biocompatibele, aangepaste maatvoering |
| Consumentenproducten | Droneframes, sportartikelen, modeaccessoires | Productie op korte termijn, snelle ontwerpiteratie |
| Gereedschap | Spuitgietmatrijzen, mallen, armaturen, meters | Sneller en goedkoper dan traditioneel gereedschap |
Specificaties voor productie van aluminiumadditieven
| Parameter | Details |
|---|---|
| Materialen | Aluminiumlegeringen: AlSi10Mg, Al6061, Scalmalloy, aangepaste legeringen |
| Onderdeelgroottes | Tot 500 mm x 500 mm x 500 mm voor poederbedfusie <br> 1m x 1m x 1m voor gerichte energiedepositie |
| Laagresolutie | Typisch 20 micron tot 100 micron |
| Oppervlakteafwerking | Zoals afgedrukt: Ra 10-25 micron <br> Bewerkt: Ra 0,4 – 6,3 micron |
| Mechanische eigenschappen | Treksterkte: 330-470 MPa <br> Opbrengststerkte: 215-350 MPa <br> Rek bij breuk: 3-8% |
| Nauwkeurigheid | ± 100 micron voor poederbedfusie <br> ± 300 micron voor het spuiten van bindmiddel <br>± 500 micron voor gerichte energiedepositie |
| Ontwerpnormen | ISO/ASTM 52900: Ontwerpvereisten voor additieve productie <br> ISO/ASTM 52921: Standaard voor metaalpoederbedfusieproces |
Leveranciers en kosten van aluminiumadditievenproductie
| Leverancier | Apparatuur merken | Gemiddelde onderdeelkosten |
|---|---|---|
| 3D-systemen | DMP, figuur 4 | $8-$12 per cm3 |
| EOS | EOS M-serie | $6-$10 per cm3 |
| GE-additief | Conceptlaser M2, X-lijn 2000R | $8-$15 per cm3 |
| Velo3D | Velo3D-saffier | $20+ per cm3 |
De onderdeelkosten zijn afhankelijk van de bouwsnelheid, de gebruikte materialen, de geometrische complexiteit, de nabewerkingsbehoeften en de bestelhoeveelheden. Over het algemeen levert additieve productie van aluminium kostenbesparingen op bij productie in kleine volumes, doorgaans minder dan 10.000 eenheden.
Installatievereisten voor aluminium additieve productie
| Parameter | Vereisten |
|---|---|
| Type faciliteit | Speciale metalen AM-faciliteit met klimaatbeheersing en poederverwerkingsstations |
| Stroomvoorziening | 200V tot 480V, 30 tot 150 kW, 30 tot 70A per machine |
| Gas vooraad | Argon, stikstof voor poederbedfusie <br> Argon voor gerichte energieafzetting |
| Uitlaat systemen | Rookafzuigsystemen, HEPA-filters voor poederdeeltjes |
| Software | CAD, AM-machinebesturingssoftware zoals Materialise Magics, Autodesk Netfabb |
| Nabewerking | Hete isostatische pers, straalcabine, CNC-bewerking |
Voor de metaaladditieve productie wordt een schone, temperatuurgecontroleerde omgeving tussen 15-30°C aanbevolen. Er moeten ook goede voorzieningen worden getroffen voor de opslag, verwerking en afvalbeheer van poeder.
Bediening en onderhoud van aluminiumadditievenproductie
| Activiteiten | Frequentie |
|---|---|
| Kalibratie | Dagelijkse controles van het laservermogen, driemaandelijkse kalibratie |
| Materiaalbeheer | Controle poeder Zeefanalyse, morfologie driemaandelijks |
| Apparatuurservice | Schone optiek, filters, dagelijks tot wekelijks <br> Vervang verbruiksartikelen zoals ruitenwissers en filters <br> Preventief onderhoud volgens OEM-schema |
| Software updates | Regelmatige firmware, software-updates |
| Onderhoud van faciliteiten | Controleer verwarming, koeling en uitlaatsystemen <br> Schone poederverwerkingsstations |
Dagelijkse reiniging van apparatuur en monitoring van alle systemen is van cruciaal belang. Opleiding van het personeel en PBM's voor het omgaan met metaalpoeders zijn verplicht. Volg de OEM-richtlijnen voor preventief onderhoud en kalibratie.
Een partner voor de productie van aluminiumadditieven kiezen
Houd bij het selecteren van een AM-serviceprovider voor aluminium onderdelen rekening met het volgende:
- AM-proceservaring – zoek jarenlang in het bedrijfsleven, specifiek casestudy's in aluminium
- Materialen en nabewerkingsmogelijkheden – aluminiumlegeringen, HIP, warmtebehandelingen, machinale bewerking
- Kwaliteitscertificeringen – ISO 9001, ISO/IEC 17025, Nadcap
- Ontwerpexpertise – kunnen ze onderdelen voor AM optimaliseren?
- Apparatuur geïnstalleerd – moderne, goed onderhouden machines
- Nabewerkingsapparatuur – wat hebben ze in huis?
- Snelle doorlooptijd voor prototypebehoeften
- Schaalbaarheid voor productie – kunnen ze aan de volumes voldoen?
- Locatie en logistiek – handig als je dichtbij bent
- Kostenconcurrentievermogen – transparante offertes, voordelig voor de projectomvang
- Klantrecensies – zoek online of vraag om referenties
Voor- en nadelen van de productie van aluminiumadditieven
| Voordelen | Nadelen |
|---|---|
| Complexe geometrieën, consolideert samenstellingen | Beperkte grootte op basis van bouwvolume |
| Lichtgewicht, minder onderdelen | Nabewerking verhoogt de doorlooptijd |
| Snelle prototyping, digitale inventaris | Hogere kosten dan traditionele methoden voor grote volumes |
| Ontwerpvrijheid, geoptimaliseerde vormen | Lagere rek vergeleken met smeedlegeringen |
| Minimale materiaalverspilling | Anisotrope eigenschappen in horizontaal versus verticaal |
| Verkort de ontwikkelingstijdlijnen | Porositeitsproblemen kunnen heet isostatisch persen vereisen |
| Gereedschapsloze productie, geen armaturen nodig | Specifieke trainingen en faciliteiten voor metal AM |
Aluminium AM biedt voordelen zoals ontwerpflexibiliteit, consolidatie van onderdelen en snelle doorlooptijden. Maar het vereist ook gespecialiseerde apparatuur en expertise. Om onderdelen voor eindgebruik te kunnen produceren, is een grondig procesinzicht een must.
Veelgestelde vragen
Wat zijn de verschillende aluminiumlegeringen die worden gebruikt bij additieve productie?
Enkele veelgebruikte aluminiumlegeringen zijn:
- AlSi10Mg – Uitstekende sterkte en oppervlakteafwerking. Meest populaire aluminiumlegering in AM.
- Al6061 – Hogere sterkte legering met goede corrosieweerstand. Beschikbaar.
- Scalmalloy – Door Airbus ontwikkelde aluminiumlegering met hoge sterkte en ductiliteit.
- Aangepaste legeringen – Kunnen worden ontworpen om bepaalde eigenschappen te optimaliseren. Vereist onderzoek en ontwikkeling.
Welke nabewerking is vereist voor aluminium AM-onderdelen?
Veel voorkomende nabewerkingsstappen zijn onder meer:
- Verwijder van de bouwplaat
- Kogelstralen of parelstralen om het oppervlak glad te maken
- Heet isostatisch persen om de dichtheid te verbeteren
- Warmtebehandelingen voor optimale mechanische eigenschappen
- CNC-bewerking – boren, tappen, frezen voor maatnauwkeurigheid
- Oppervlaktebehandelingen – anodiseren, poedercoaten voor esthetiek
Hoe verhouden de kosten van aluminium AM zich tot CNC-bewerking?
Voor productie in kleine volumes (minder dan 100 onderdelen) is AM over het algemeen kosteneffectiever dan CNC-bewerking. Er is geen gereedschap nodig en de doorlooptijden zijn sneller. Voor hogere volumes boven de 1000 eenheden heeft CNC-bewerking lagere kosten als gevolg van materiaalverspilling met AM. Hybride benaderingen die AM en machinale bewerking combineren, kunnen kosteneffectieve oplossingen bieden voor middelgrote volumes.
Welk formaat aluminium onderdelen kunnen worden gebouwd met metaal 3D-printen?
Voor poederbedtechnologieën zoals DMLS en EBM bedraagt de maximale onderdeelgrootte ongeveer 500 mm x 500 mm x 500 mm. Grootformaatmachines hebben een bouwafmeting van meer dan 1 x 1 x 1 meter. Binderjetting en gerichte energiedepositie hebben minder beperkingen qua afmetingen, waarbij sommige machines onderdelen op meterschaal mogelijk maken.
Welke oppervlakteafwerking kan worden verwacht bij additieve productie van aluminium?
De oppervlakteafwerking zoals afgedrukt met AM is relatief ruw, ongeveer Ra 10-25 micron. Verschillende nabewerkingen kunnen dit aanzienlijk verbeteren:
- CNC-bewerking – Ra 0,4 tot 6,3 micron
- Polijsten – Ra < 1 micron
- Anodiseren – glad, uniform oppervlak voor verbeterde corrosieweerstand
Met de juiste nabewerking kunnen aluminium AM-onderdelen een gladde oppervlakteafwerking bereiken die vergelijkbaar is met traditionele productie.
Welke industrieën maken gebruik van additieve productie van aluminium?
Belangrijke industrieën die aluminium AM gebruiken, zijn onder meer:
- Lucht- en ruimtevaart – Vliegtuigonderdelen, beugels, motoronderdelen
- Automotive – Warmtewisselaars, aangepaste steunen, gereedschap
- Medisch – Tandheelkundige copings, implantaten, chirurgische instrumenten
- Consumptiegoederen – Drone-onderdelen, sportuitrusting, gadgets
- Industrieel – Mallen voor eindgebruik, armaturen voor productie en montage
Aluminium AM maakt lichtgewicht, geoptimaliseerde ontwerpen in deze segmenten mogelijk.
Welke expertise is nodig voor aluminium AM in huis?
Voor een succesvolle implementatie van interne aluminium AM is het volgende vereist:
- AM-ingenieurs om builds te optimaliseren en processen te kwalificeren
- Technici voor bediening en onderhoud van apparatuur
- Kwaliteitsteam om onderdelen en procedures te valideren
- Technici voor poederverwerking die zijn opgeleid in gezondheid en veiligheid
- Facilitair team dat stroom, koeling, gastoevoer en -afvoer levert
- Software, netwerkondersteuning voor AM-gegevensbeheer
Een cross-functionele teamaanpak wordt aanbevolen om AM-expertise in de hele organisatie op te bouwen.
Welke normen zijn van toepassing op de additieve productie van aluminium?
De belangrijkste normen zijn onder meer:
- ISO/ASTM 52900 – Standaardterminologie voor AM
- ISO/ASTM 52921 – Standaard voor procesapparatuur voor poederbedfusie
- ASTM F3001 – Standaard voor medische AM-onderdelen
- ASTM F3301 – Standaard voor gerichte energieafzetting AM-metalen
- ASTM F3302 – Standaard voor het spuiten van AM-metalen met bindmiddelen
Door onderdelen volgens deze normen te certificeren, wordt kwaliteitsmanagement en naleving aangetoond.
Conclusie
Aluminium additieve productie maakt lichtgewicht, geoptimaliseerde aluminium componenten mogelijk in de lucht- en ruimtevaart-, automobiel-, medische en consumptiegoederensector. Met de juiste proceskennis en expertise kunnen aluminium onderdelen voor eindgebruik worden geproduceerd met behulp van de laaggebaseerde flexibiliteit van 3D-printen. Naarmate de aluminium AM-technologie volwassener wordt, zullen de kosten afnemen en zal de acceptatie van dit veelzijdige metalen materiaal blijven stijgen.
