Giriş
3D baskı teknolojisi, endüstrilerde imalat süreçlerinde devrim yaratarak, karmaşık, hafif bileşenlerin hızlı prototiplemesini ve üretimini sağlamıştır. Metal 3D baskıda en yaygın kullanılan malzemelerden biri, yüksek mukavemet/ağırlık oranı, korozyon direnci, mükemmel ısıl ve elektriksel iletkenliği ve son işlem kolaylığı nedeniyle alüminyumdur.
Çeşitli alüminyum alaşımları arasında, 7050 alüminyum alaşımlı toz yüksek mukavemet ve orta düzeyde tokluk gerektiren 3D baskı uygulamaları için popülerlik kazanmaktadır. 7050 alüminyum, ana alaşım elementleri olarak çinko, magnezyum ve bakır içerir ve bazı çeliklerle karşılaştırılabilir mukavemetler sunar. Bu makale, 7050 alüminyum alaşımlı toza ve 3D baskıdaki uygulamalarına genel bir bakış sunmaktadır.
7050 alüminyum alaşımlı toza genel bakış
7050 alüminyum alaşımlı toz, başlangıçta 1950'lerde yüksek mukavemetli uçak yapısal uygulamaları için geliştirilmiştir. Tüm alüminyum alaşımları arasında en yüksek mukavemetleri ile bilinen 7xxx serisi alüminyum alaşımlarının bir parçasıdır.
7050 alüminyum alaşım tozunun tipik bileşimi şöyledir:
- Çinko: %6,2
- Magnezyum: %2,3
- Bakır: %2,2
- Demir: %0,15
- Silisyum: %0,12
- Manganez: %0,10
- Krom: %0,05
- Zirkonyum: %0,25
Ana alaşım elementleri olan çinko ve magnezyum, çökelme sertleşmesi yoluyla mukavemet sağlarken, bakır korozyon direncini artırır. Zirkonyum, tane yapısı kontrolü için eklenir.
7050 alüminyum alaşım tozunun temel özellikleri şunlardır:
- Yüksek mukavemet – T651 tavında 500 MPa akma dayanımı ve 570 MPa çekme dayanımı.
- İyi kırılma tokluğu – T7351 tavında yaklaşık 33 MPa√m.
- Mükemmel yorulma dayanımı – T7351 tavında 107 döngüde yaklaşık 310 MPa yorulma dayanımı.
- İyi korozyon direnci – Bakır alaşımından dolayı.
- Orta yoğunluk – Yaklaşık 2,83 g/cm3.
- Isıl işlem sırasında mükemmel işlenebilirlik ve boyutsal kararlılık.
Yüksek mukavemet, iyi tokluk ve orta yoğunluğun kombinasyonu, 7050'yi ağırlık tasarrufu hedefleyen yapısal parçalar ve bileşenler için ideal bir seçim haline getirir.
7050 Alüminyum Alaşımının 3B Baskı İçin Avantajları
7050 alüminyum alaşımı, 3B baskı uygulamaları için uygun hale getiren çeşitli avantajlar sunar:
Yüksek Mukavemet-Ağırlık Oranı
Orta yoğunlukla birleşen nispeten yüksek mukavemet, 7050 alüminyum için mükemmel bir mukavemet-ağırlık oranı sağlar. Bu, yeterli mekanik özelliklere sahip hafif 3B baskılı parçaların tasarlanmasına olanak tanır.
7050'nin yüksek mukavemeti, yüksek gerilmelere, basınçlara ve çalışma yüklerine dayanması gereken bileşenlerin 3B baskısını sağlar. Aynı zamanda, çelik ve titanyum alaşımlarına kıyasla daha düşük yoğunluk, ağırlık tasarrufu sağlar.
İyi Yazdırılabilirlik
7050 toz partikülleri, uygun atomizasyon teknikleriyle küresel veya küreye yakın morfolojiye en uygun şekilde şekillendirilebilir. Bu, 3B baskı sırasında tozun düzgün akışını ve toz katmanlarının düzgün bir şekilde yayılmasını sağlar.
Alüminyumun mükemmel termal iletkenliği, baskı sırasında eğilme ve kalıntı gerilmeleri gibi sorunları da önler. Bu, basılı 7050 alüminyum alaşımlı toz parçaların iyi yazdırılabilirliği ve boyutsal doğruluğu ile sonuçlanır.
Eksiksiz bir iş akışı için toz geri kazanım sistemleri ve son işleme ekipmanları gibi diğer aksesuarlar gerekli olabilir. Sistem gereksinimleri, basılan metal alaşımlarına ve son kullanım uygulamalarına göre değişiklik gösterir.
7050 alüminyum alaşımlı toz, yüksek mukavemet gibi istenen özellikleri elde etmek için ısıl işlemden geçirilebilir. Tavlanmış durumda baskı ve ardından baskı sonrası ısıl işlem, özelliklerin uygulama gereksinimlerine göre uyarlanmasını sağlar.
T6 ve T7 temperlerinde optimum mukavemeti elde etmek için çözelti işlemi, su verme ve yaşlandırma kullanılabilir. 7050'nin yaşlandırma döngüleri arasındaki soğuk işlem, akma dayanımını 550 MPa'nın üzerine çıkarabilir.
Korozyon Direnci
Bakır ilavesi, birçok yapısal uygulamada 7050 alüminyum için iyi korozyon direnci sağlar. Bu, bazı durumlarda özel kaplamalara olan ihtiyacı ortadan kaldırarak baskı ve son işlemeyi basitleştirir.
Kaynaklanabilirlik
7050 alüminyum alaşımlı toz, diğer birçok yüksek mukavemetli 7xxx alaşımından daha iyi kaynaklanabilirliğe sahiptir. Bu, 3B basılı 7050 parçaların birbirine veya geleneksel üretim kullanılarak yapılan bileşenlere kaynaklanmasına izin vererek tasarım esnekliğini artırır.
7050 alüminyumun, ana metal özelliklerinde önemli bir kayıp olmadan birleştirilmesi için sürtünme karıştırma kaynağı ve gaz tungsten ark kaynağı kullanılabilir.
Maliyet Etkinliği
7050 alüminyum alaşımlı toz, titanyum gibi diğer yüksek mukavemetli havacılık alaşımlarından daha ekonomiktir. Bu, 7050'yi ağırlığı ve malzeme maliyetlerini azaltmayı amaçlayan birçok endüstri için ekonomik bir seçim haline getirir.
Alüminyumun iyi geri dönüştürülebilirliği ve hurda tozunu yeniden kullanabilme yeteneği, maliyet etkinliğini daha da artırır. 3B basılı alüminyum bileşenler için satın alma-uçuş oranı 1:1 kadar düşük olabilir.
3B Basılı 7050 Alüminyum Bileşenlerin Uygulamaları
7050 alüminyum alaşımlı tozun benzersiz özellikleri, onu aşağıdaki uygulamalar için uygun hale getirir:
Havacılık ve Uzay Uygulamaları
Havacılık endüstrisi, alüminyum alaşımları ile metal 3B baskının önde gelen uygulayıcılarından biridir. Yüksek mukavemeti, kırılma tokluğu ve yorulma dayanımı ile 7050 alüminyum, aşağıdaki hava boşluğu bileşenlerini basmak için kullanılabilir:
- Yapısal çerçeveler ve braketler
- Uçak contaları, kanalları ve muhafazaları
- Türbin kanatları, ısı eşanjörleri ve güç aktarma organları parçaları
- Motor yuvaları ve iniş takımları gibi İHA/drone bileşenleri
3B baskı, optimize edilmiş tasarımlara ve karmaşık geometrilere sahip hafif havacılık parçalarının üretilmesine yardımcı olur. GE ve Safran, jet motoru parçalarını basmak için 7050 alaşımını kullanır ve geleneksel üretime göre ağırlık tasarrufu sağlar.
Otomotiv Parçaları
7050 gibi alüminyum alaşımları, otomobillerde ağır çelik bileşenlerin yerini alabilir ve hafifletmeye yardımcı olabilir. 7050 alüminyum kullanan 3B basılı otomotiv parçalarına bazı örnekler şunlardır:
- Kontrol kolları gibi şasi, güç aktarma organları ve süspansiyon bileşenleri
- Jantlar
- Fren kaliperleri ve diskleri
- Şanzıman kutuları ve muhafazaları
- Isı eşanjörleri ve ara soğutucular
3B baskı, çok parçalı montajların arabalar için tek basılı bileşenlerde birleştirilmesini sağlar. Ford ve Bugatti, yarış ve üretim araçları için 3B basılı alüminyum araba parçalarını test etti.
Tüketici Elektroniği
Tüketici elektroniği endüstrisi, dizüstü bilgisayarlar, cep telefonları, tabletler, giyilebilir cihazlar gibi ürünlerde hafif, yüksek mukavemetli muhafazalar, çerçeveler ve ısı dağıtım parçaları için 3B baskı kullanır:
- Dizüstü bilgisayarlar, cep telefonları, tabletler, giyilebilir cihazlar
- Masaüstü 3B yazıcılar ve bilgisayar donanımı
- Oyun konsolları ve aksesuarları
- Üst düzey ses-video cihazları
Apple, mukavemeti ve termal yönetimi en üst düzeye çıkarmak için seçici lazer sinterleme 3B baskı ile Mac Pro dizüstü bilgisayarların kasasını yapmak için 7050 alüminyum alaşımını kullanır.
Robotik Bileşenler
Robotlardaki çeşitli aktüatörler, güç aktarma organları parçaları, bağlantılar, yuvalar ve son efektörler, dinamik yükler altında hafif ve yüksek mukavemetli performans için alüminyum alaşımlarından 3B olarak basılabilir. 7050 alüminyum alaşımlı toz, aşağıdaki robotik parçalar için uygundur:
- Endüstriyel robotlar
- İşbirlikçi robotlar
- Dış iskeletler
- İHA'lar ve dronlar
- Uzay robotları ve gezginler
Tıbbi Cihazlar
3D baskılı cerrahi aletler, diş implantları, protezler, 7050 alüminyum kullanan tıbbi takımlar, yük taşıma uygulamaları için gerekli mukavemeti sağlarken biyouyumlu olurlar.
Savunma Ekipmanları
3D baskılı 7050 bileşenleri kullanan uçak gemileri, tanklar ve obüsler gibi askeri araç ve ekipmanların hafifletilmesi, hareket kabiliyetini artırır. Alüminyum zırh, geleneksel çelik zırha göre ağırlıktan tasarruf sağlarken koruma da sağlayabilir.
7050 Alüminyumun 3D Baskısı İçin İşlem Parametreleri
Alüminyum alaşımları için en uygun 3D baskı işlemi, toz parçacıklarını katman katman seçici olarak eritmek ve birleştirmek için lazer veya elektron ışını gibi odaklanmış bir ısı kaynağı kullanan toz yatağı füzyonudur.
7050 alüminyum için kullanılan farklı toz yatağı teknolojileri şunlardır:
- Doğrudan Metal Lazerle Sinterleme (DMLS)
- Seçici Lazer Eritme (SLM)
- Elektron Işınıyla Eritme (EBM)
7050 alüminyum için tipik işlem parametreleri aralığı şunlardır:
Lazer ve Optik
- Lazer gücü: 100-500 W
- Lazer tarama hızı: 100-1000 mm/s
- Tarama aralığı: 0,1-0,2 mm
- Katman kalınlığı: 20-100 μm
Toz Yatağı
- Toz parçacık boyutu: 15-45 μm
- Toz yatağı sıcaklığı: SLM/DMLS için oda sıcaklığı, EBM için 600-850°C
İnert Atmosfer
- SLM/DMLS için %0,1'in altında oksijen içeriği
- EBM için vakum
DMLS/SLM için, erime noktasının hemen altına, yani yaklaşık 500°C'ye ön ısıtma, kalıntı gerilmeleri azaltmaya yardımcı olur. EBM'deki yükseltilmiş toz yatağı sıcaklığı da gerilmeleri en aza indirir.
Parça yönlendirmesi, destek yapıları ve tarama stratejileri ayrıca kalıntı gerilmeleri ve baskı kalitesini etkiler. Hem SLM hem de EBM, geleneksel üretime yakın özelliklere sahip yoğun 7050 alüminyum parçaların hızlı bir şekilde basılmasına olanak tanır.
3D Baskılı 7050 Alüminyum Parçaların Son İşlemi
Baskıdan sonra, tipik olarak aşağıdaki son işlem adımları kullanılır:
- Yapı plakasından çıkarma: Bant testere, kesme ve elektrik deşarjlı işleme gibi geleneksel yöntemler. Serbest bırakma katmanları gibi arayüzler kullanılarak parça ayrılmasını kolaylaştırmak için en aza indirilmiştir.
- Destek kaldırma: Destekler, pense, kesiciler veya kostik banyolarda çözülerek çıkarılır.
- Tasarım özgürlüğü İstenen mekanik özellikleri ve malzeme mikroyapısını elde etmek için. 7050 için bu, solüsyonla işleme, su verme ve yaşlandırmayı içerir.
- Yüzey işlemesi: Zımparalama, taşlama, perdahlama ve parlatma gibi teknikler kullanılarak yüzey düzensizliklerinin giderilmesini içerir. Sıkıştırma gerilmeleri uygulamak için çelik bilyeli püskürtme de yapılabilir.
- Kalite kontrol: Boyutların, toleransların ve nihai malzeme özelliklerinin belirtilen gereksinimlere uygun olmasını sağlar. Koordinat ölçümü, çekme testi ve tahribatsız değerlendirme gibi test yöntemleri kullanılır.
- Parça sertifikasyonu: Havacılık parça kalitesini doğrular ve havacılık endüstrisindeki düzenleyici standartlara uygunluğu sağlar. Geleneksel iş akışlarına kıyasla önemli ölçüde daha kısa teslim süresi sağlar.
Son işlem operasyonlarının otomatikleştirilmesi, tekrarlanabilirliği artırır ve genel parça üretim süresini azaltır. Baskı ve son işlemin tek bir takım tezgahına entegrasyonu gelişmekte olan bir eğilimdir.
7050 Alüminyum 3D Baskının Faydaları ve Zorlukları
7050 alüminyum parçaların 3D baskısının başlıca faydalarından bazıları şunlardır:
- Ağırlık azaltma – Çelik parçalara kıyasla ağırlığı 'den fazla azaltır, yakıt verimliliğini artırır
- Maliyet verimliliği – Titanyum alaşımlarına göre daha düşük maliyetler, hurda kayıplarını azaltır
- Parça konsolidasyonu – Karmaşık, optimize edilmiş geometrilere izin verir, montajları tek parçalarda birleştirir
- Hızlı üretim – Önemli ölçüde daha kısa teslim süreleri, ürün geliştirmeyi hızlandırır
- Yüksek mukavemetli – Mekanik özellikleri geleneksel olarak üretilen alüminyumu aşar
- Özelleştirme – Müşteriye özel tasarım özelliklerine sahip parçaları kolaylaştırır
- Sürdürülebilirlik – Alüminyum tozunu yeniden kullanır, nispeten çevre dostudur
Ancak, bazı zorlukların dikkate alınması gerekir:
- Yüksek ekipman maliyetleri – Yazıcılar, toz işleme sistemleri büyük yatırımlar gerektirir
- İşlem optimizasyonu – Yüksek kaliteli baskılar için birden fazla parametrenin ayarlanması gerekir
- Malzeme nitelikleri – Mekanik özellikler, optimize edilmiş baskı işlemine bağlıdır
- Son İşlem – Birden fazla adım içerir, zaman ve maliyet yoğundur
- Parça boyutu sınırlamaları – Yazıcı zarf boyutları ile sınırlıdır
- Yüzey finisajı – Geleneksel işleme veya diğer finisajları gerektirebilir
Genel olarak, hafif yapı, parça birleştirme ve tasarım esnekliğinin avantajları, çoğu uygulama için yukarıda vurgulanan zorluklardan daha ağır basmaktadır.
7050 alüminyum alaşımlı toz 3D Baskının Gelecek Görünümü
Hafif, yüksek mukavemetli alüminyum alaşımlarının kullanımı, hafif tasarım hedefleyen havacılık, otomotiv ve diğer endüstrilerde 3D baskıda katlanarak büyüyeceği öngörülmektedir.
Alüminyum alaşımları içinde, 7050, çeliklere yakın üstün mukavemet özellikleri ve orta yoğunluğu sayesinde artan uygulamalar bulmaya devam edecektir. Alüminyum alaşımlarının, 2025 yılına kadar üretilen toplam metal AM parçalarının 'inden fazlasını oluşturması bekleniyor.
7050 alüminyum 3D baskısının benimsenmesini genişletecek temel eğilimler şunlardır:
- Süreç iyileştirmeleri – Parametre optimizasyonu, entegre son işlem ve kalite kontrol, 3D baskıyı geleneksel üretimle aynı seviyeye getirecektir.
- Maliyet düşüşleri – Artan verimlilik, tedarik zinciri iyileştirmeleri ve geri dönüşüm maliyetleri düşürecektir.
- Yeni uygulamalar – Tıp, denizcilik, uzay, savunma gibi sektörlerdeki yenilikler, 3D baskılı alüminyum parçalara olan talebi artıracaktır.
- Genişletilmiş yetenekler – Daha büyük yapı hacimleri, çok malzemeli baskı ve hızlı sertifikasyon uygulamaları kolaylaştıracaktır.
- Otomasyon entegrasyonu – 3D baskının dijital üretim ekosistemlerine gömülmesi, benimsenmeyi iyileştirecektir.
Uzun vadede, 7050 alüminyum alaşımlı toz kullanılarak 3D baskı, benzersiz faydaları nedeniyle çeşitli endüstriyel sektörlerde ana akım bir üretim teknolojisi haline gelecektir.
Sonuç
7050 alüminyum alaşımı, havacılık, otomotiv ve diğer zorlu uygulamalar için yapısal ve yük taşıyan bileşenlerde gereken yüksek mukavemet, kırılma tokluğu, kaynaklanabilirlik ve korozyon direncinin optimum kombinasyonunu sağlar.
7050 alüminyum tozu kullanılarak 3D baskı, geleneksel tekniklerle ulaşılamayan karmaşık geometrileri, hafif yapıları ve hızlı üretimi kolaylaştırır. Birden fazla sektörde ağırlık azaltma, maliyet tasarrufu, teslim süresi azaltma ve tasarım esnekliği için önemli fırsatlar sunar.
3D baskı süreçleri, malzeme özellikleri, kalite standartları ve parça sertifikasyonundaki devam eden iyileştirmelerle, 7050 alüminyum alaşımının önümüzdeki yıllarda dijital üretim için oldukça değerli bir malzeme olması bekleniyor. Ulaşım, savunma, tüketim malları ve endüstriyel sektörlerdeki hafif tasarım motivasyonuyla uygulamaları artmaya devam edecektir.
