Как сделать металлические детали легче с помощью 3D-печати из металла

Создание легких металлических деталей - это святой Грааль для высокопроизводительных отраслей, таких как автомобилестроение и аэрокосмическая промышленность, поэтому производители постоянно стремятся найти новые способы конструирования и производства более легких металлических деталей с улучшенными характеристиками. 3D-печать , с его способностью создавать сложные конструкции, может быть решением растущей потребности в легких металлических компонентах.

Почему производители стремятся к легким металлическим деталям?

Такие отрасли, как аэрокосмическая и автомобильная промышленность, сталкиваются с проблемой оптимизации расхода топлива, снижения производственных затрат и соблюдения строгих нормативных стандартов по вредным выбросам. Облегчение, то есть практика облегчения деталей, - одно из решений этих проблем.

Более легкие детали означают более легкие автомобили и самолеты, что приводит к меньшему расходу топлива и сокращению выбросов. С помощью традиционных методов производства трудно добиться облегчения металла из-за более длительного времени выполнения заказа и отсутствия экономически выгодного способа изготовления изделий сложной геометрии. Высокие отходы материала и стоимость инструментов (в случае литья под давлением) также являются недопустимыми факторами.

3D-печать:легкое металлическое решение

Отправка сообщения 22 Полезная нагрузка самолета на низкую околоземную орбиту стоит 62 миллиона долларов . - почти 3000 долларов за килограмм - согласно исследованиям, проведенным 3D Systems. Поскольку каждый килограмм, убранный из общего веса самолета, означает экономию средств, увеличение веса становится ключевым приоритетом. Точно так же, чем легче деталь, тем меньше материала было использовано для ее изготовления, что, опять же, снижает производственные затраты.

3D-печать - это технология производства, при которой детали создаются слой за слоем, используя материал только там, где это необходимо. В отличие от традиционных методов производства, 3D-печать превращает сложность в актив, создавая возможность экономичного производства легких сложных металлических деталей.

Помимо того, что процесс 3D-печати является более экономичным вариантом для производства более легких металлических деталей, он обычно быстрее, чем традиционные производственные процессы. Аддитивное производство - это безинструментальная технология, позволяющая создавать детали непосредственно из цифровых файлов, что значительно ускоряет производственный процесс.

Обычно процессы плавления в порошковом слое используются для производства более легких металлических компонентов. С помощью лазера слои металлических порошков сплавлены вместе, что позволяет создавать геометрически сложные легкие конструкции.

Как с помощью 3D-печати можно сделать металлические детали легче?

Использование расширенного программного обеспечения для проектирования
Успешное использование 3D-печати для создания легких деталей всегда начинается с дизайна. Благодаря свободе проектирования, предлагаемой 3D-печатью, эту технологию можно легко комбинировать с передовым программным обеспечением для проектирования, включая программы для генеративного проектирования, оптимизации топологии и построения решеток, и это лишь некоторые из них.

Использование сложных алгоритмов, оптимизации топологии и инструментов генеративного проектирования помогает оптимизировать геометрию и распределение материалов в детали. Добавляя или удаляя материал в местах, определенных набором параметров, эти инструменты позволяют инженерам исследовать бесконечные варианты дизайна и находить наилучшую из возможных облегченную структуру данной детали.

General Motors, например, уже использует эти передовые технологии для создания моделей автомобилей со средней сниженной массой более 150 кг на автомобиль.


В другом примере ошеломляющее снижение веса на 70% было достигнуто с помощью топологически оптимизированного титанового кронштейна, напечатанного на 3D-принтере, для GE Aircraft. Используя программное обеспечение для оптимизации топологии Generate от Frustum, инженеры смогли определить наиболее эффективное распределение материала внутри кронштейна для удовлетворения требований к производительности.

Оптимизация дизайна также означает, что количество деталей также может быть уменьшено. Объединив несколько структурных компонентов в один, можно получить более легкую и эффективную деталь. Airbus уже оснастил самолет A380 напечатанным на 3D-принтере титановым блоком исполнительных клапанов, который весит на 35% меньше, чем его аналоги, производимые традиционным способом, и состоит из меньшего количества деталей.

Применение внутренних решетчатых конструкций - еще один дизайнерский подход к снижению веса металлической детали. Неконструкционные твердые металлические детали - идеальный вариант использования для их перепроектирования с помощью решетчатой ​​конструкции, чтобы сделать их легче при сохранении полной функциональности.

Использование материалов для улучшения свойств
Новые материалы для 3D-печати постоянно развиваются, расширяя границы того, чего можно достичь с помощью облегчения металла. Скальмаллой Это отличный пример:разработанный APWorks сплав Scalmalloy - это металлический порошковый сплав, сочетающий легкость алюминия с почти такой же удельной прочностью и пластичностью, как у титана. Высокое соотношение прочности и веса скалмаллоя делает этот материал особенно востребованным в аэрокосмической и автомобильной промышленности, где его можно использовать для производства легких, но очень прочных функциональных компонентов.

Композиты с металлической матрицей (MMC) также очень перспективны для облегчения металлических конструкций. ММС - это композитные материалы, состоящие из металла и другого металла или керамических и органических соединений. Хотя MMC являются новыми материалами в аддитивном производстве, эта технология может предоставить новые возможности для производства деталей из этих высокоэффективных легких материалов, обладающих высокой прочностью и жесткостью. Elementum3D, например, разрабатывает композит из металла и керамики специально для 3D-печати металлом. Из этого материала можно изготавливать прочные, легкие, жаропрочные металлические детали, такие как компоненты авиакосмической техники или автомобильных двигателей.

Растущее значение облегчения металла

Для успешной 3D-печати металлических деталей необходимо знать возможности и ограничения технологий и материалов металлических АМ. Таким образом, ключевой задачей является переосмысление традиционных подходов к проектированию и, вместо этого, разработка с учетом потребностей аддитивного производства.

По мере того, как стремление к облегчению металла набирает обороты, перед производителями в высокопроизводительных отраслях стоит задача найти баланс между конкурирующими целями:максимизировать прочность и производительность при минимальном весе деталей.

3D-печать предлагает идеальное решение для достижения баланса между этими целями, особенно в сочетании с передовым программным обеспечением и материалами для проектирования. По общему признанию, мы только начали поверхностно относиться к возможностям 3D-печати металлом. Однако возможность создания легких деталей с более быстрым временем выполнения заказа при одновременном снижении производственных затрат позволит производителям воспользоваться преимуществами вывода на рынок более качественных, легких и эффективных продуктов.

Примерно так
Особенности дизайна для 3D-печати из металла
5 распространенных проблем 3D-печати из металла - и способы их устранения