È possibile stampare in 3D un collettore di aspirazione personalizzato in alluminio?

La maggior parte del metalloCollettore di aspirazione in alluminio stampato in 3Di progetti utilizzano la fusione laser del letto di polvere (SLM o L-PBF). Un laser fonde uno dopo l'altro sottili strati di polvere di alluminio secondo il file CAD. Non è richiesto alcuno stampo. Le guide interne e i plenum complessi possono essere formati come un unico pezzo.

La lega più comune è AlSi10Mg. È una lega di alluminio-silicio-magnesio di tipo colabile che offre un solido equilibrio tra resistenza, conduttività termica e stampabilità. È ampiamente specificato per le parti automobilistiche e aerospaziali che necessitano di peso ridotto e trasferimento di calore decente. La stampa 3D AlSi10Mg è diventata il percorso predefinito per molte applicazioni di aspirazione personalizzate proprio per questi motivi.

Quali parti di una varietà sono buoni candidati
I canali di scorrimento con percorsi di flusso ottimizzati, plenum complessi, caratteristiche di montaggio integrate e canali interni che sarebbero difficili o impossibili da animare in una fusione tradizionale sono i casi d'uso più efficaci. Forme esterne semplici con poca complessità interna raramente giustificano il processo.

Uno studio comparativo del 2020 pubblicato sul Journal of Materials Science & Technology ha esaminato SLM AlSi10Mg rispetto alla stessa lega prodotta mediante fusione. Il materiale SLM ha mostrato una resistenza alla trazione più elevata (circa 430–445 MPa contro circa 313–315 MPa per il materiale colato a temperatura ambiente) ma un allungamento inferiore. La durata a fatica è risultata inferiore perché le particelle residue di polvere non fusa, le inclusioni di ossido e i pori fungono da punti di partenza delle cricche.

Un documento MATEC Web of Conferences del 2016 ha riportato che i parametri SLM ottimizzati potrebbero raggiungere una densità relativa del 99,13%. Le proprietà meccaniche in tali condizioni erano paragonabili, e in alcuni casi migliori, rispetto alla lega A360 pressofusa ad alta pressione, anche senza una pesante post-elaborazione.

Le schede tecniche dei materiali di fornitori affermati di polveri elencano AlSi10Mg per i componenti relativi al motore, inclusi i collettori di aspirazione, a causa della sua combinazione di resistenza, conduttività termica e bassa densità.

La forza è buona, ma i pori e la fatica sono i veri punti di attenzione
La resistenza statica è raramente il fattore limitante per un collettore di aspirazione. Il carico ciclico, le vibrazioni e la resistenza alla fatica a lungo termine contano di più. Porosità residua e difetti legati alla superficie possono ridurre la durata a fatica. Sono essenziali un adeguato controllo del processo, controlli della densità e trattamento termico.

Tre domande di qualità che consigliamo sempre di porre:

Quale densità relativa raggiungi costantemente e come viene misurata?

Quale ciclo di trattamento termico è distensione applicata, invecchiamento o entrambi?

Eseguite scansioni TC, test di pressione o entrambi sui percorsi di flusso critici?

Nelle nostre costruzioni abbiamo visto che la verifica della densità e il giusto trattamento termico fanno una differenza maggiore in termini di affidabilità a lungo termine rispetto ai soli numeri di trazione stampati.

L'assenza di strumenti significa che le iterazioni di progettazione possono avvenire in giorni anziché in settimane. La geometria del flusso interno può essere ottimizzata senza i limiti dei nuclei e degli angoli di sformo. Le caratteristiche che normalmente necessiterebbero di saldatura o assemblaggio possono essere stampate come un unico pezzo.

La riduzione del peso è un altro vantaggio pratico. Nel progetto FEV LeiMot, una testata AlSi10Mg realizzata mediante produzione additiva ha risparmiato 2,3 kg (22%) rispetto alla fusione convenzionale, e i principali componenti del motore insieme erano circa il 21% più leggeri. Più recentemente, Nikon SLM Solutions e Bosch hanno mostrato un blocco motore V8 completo in un unico pezzo stampato in AlSi10Mg, dimostrando che le parti grandi e complesse del gruppo propulsore in alluminio sono ora realistiche su macchine destinate alla produzione.

Un cliente necessitava di un piccolo lotto di collettori di aspirazione ad alte prestazioni con geometria del canale rivista. Gli strumenti di fusione erano troppo lenti e costosi per i cicli di progettazione pianificati.

Abbiamo orientato la parte per mantenere il supporto il più lontano possibile dai percorsi di flusso critici, controllato attentamente il posizionamento del supporto, applicato un trattamento termico di distensione e lavorato a macchina CNC le facce di tenuta e le interfacce di montaggio fino alla tolleranza finale. I controlli di densità e dimensione sono stati completati prima della partenza dei pezzi. I collettori hanno soddisfatto le prestazioni di flusso e tenuta richieste e sono arrivati ​​più velocemente di quanto un percorso di attrezzaggio convenzionale avrebbe consentito.

L’orientamento della stampa in sequenza, i supporti controllati, il trattamento termico, quindi la finitura CNC delle superfici di tenuta, è il modo standard in cui gestiamo un collettore di aspirazione in alluminio stampato in 3D quando la complessità della geometria e il programma contano più del costo unitario di un volume elevato.

Per le automobili prodotte in grandi volumi, dove prevale il costo per pezzo, la fusione convenzionale è ancora più economica una volta pagate le attrezzature.

Le superfici di tenuta, le filettature critiche e le superfici di montaggio di precisione necessitano quasi sempre di finitura CNC dopo la stampa. Un negozio esclusivamente di sola stampa non può fornire un collettore pronto per l'installazione. Cerca unstampa 3D in alluminio fabbrica in grado di gestire sia la fase additiva che la lavorazione necessaria sotto lo stesso tetto.

I collettori in polimero o nylon rinforzato con fibra di carbonio possono essere ancora più leggeri e sono stati utilizzati in alcuni prototipi da corsa. Si adattano a determinate gare o ad ambienti di prototipi a breve termine, ma hanno limiti di temperatura e durabilità a lungo termine diversi rispetto all'alluminio. Non sono sostituti diretti in condizioni di calore continuo del motore.

Poniti queste cinque domande:

Potete fornire certificati dei materiali e dati misurati sulla densità o sulla porosità per la struttura specifica?

Eseguite trattamenti termici interni (distensione dallo stress o invecchiamento)?

È possibile lavorare con macchine CNC le superfici di tenuta, le porte e le caratteristiche di montaggio dopo la stampa?

Quali metodi di ispezione sono disponibili: scansione TC, test di pressione, rapporti dimensionali?

Quali sono i tempi di consegna realistici e le quantità minime per prototipi e piccoli lotti?

Un produttore capace di collettori di aspirazione personalizzati o un fornitore di collettori di aspirazione in piccoli lotti risponderà in modo chiaro e potrà mostrare le prove del processo. Un partner di stampa 3D del collettore di aspirazione OEM dovrebbe anche dimostrare esperienza con la documentazione e la tracciabilità di livello automobilistico. I sistemi di qualità documentati e i controlli di processo danno ulteriore certezza che gli stessi standard si applicano dal primo prototipo al successivo piccolo lotto.

Il costo di un collettore di aspirazione stampato in 3D dipende dal volume della parte (altezza di costruzione e utilizzo della polvere), dal volume della struttura di supporto, dalla post-elaborazione (trattamento termico, lavorazione meccanica, finitura superficiale) e dalla quantità. Le parti più grandi o fortemente supportate costano di più per pezzo. I tempi di consegna del prototipo vengono generalmente misurati in un periodo che va da giorni a un paio di settimane una volta che il file è pronto, in genere significativamente più brevi rispetto al percorso di attrezzaggio. Piccoli lotti di produzione seguono lo stesso processo con meno iterazioni.

Il prezzo esatto richiede il modello CAD e le specifiche. I principali fattori di costo rimangono la complessità della geometria, la post-elaborazione richiesta e il volume degli ordini.

Un collettore di aspirazione in alluminio stampato in 3D ben eseguito risolve il ritardo degli utensili e i problemi di flessibilità del design che la fusione tradizionale crea per lavori personalizzati e a basso volume. Il successo dipende dalla scelta della lega giusta, dal controllo della densità e della post-elaborazione e dalla collaborazione con un'officina in grado di rifinire le superfici critiche.