Aluminium dan Titanium: Pilihan Luar Biasa untuk Manufaktur Aditif Dirgantara

Berdasarkan perspektif eksplorasi dan pengembangan ilmiah mutakhir, Science pernah menerbitkan sebuah artikel yang menunjukkan bahwa industri modern membutuhkan bahan struktural untuk memiliki kekuatan tinggi, ketangguhan patah, dan kekakuan, dan pada saat yang sama mengurangi berat sebanyak mungkin. Dalam hal ini, paduan ringan berkekuatan tinggi yang diwakili oleh aluminium dan titanium, dan paduan tahan panas yang menahan beban yang diwakili oleh superalloy berbasis Ni telah menjadi salah satu bahan utama yang dikembangkan dalam rencana penelitian dan pengembangan bahan baru di berbagai negara, dan juga dalam proses pembuatan aditif laser. Bahan terapan penting.

Keuntungan dan perbedaan antara titanium dan aluminium

Paduan aluminium dan paduan titanium, karena kepadatan rendah dan kekuatan strukturalnya yang sangat baik, banyak digunakan di ruang angkasa, mobil, manufaktur mesin, dan bidang lainnya, baik menggunakan pencetakan 3D atau pemrosesan CNC, terutama di industri penerbangan. Ini adalah bahan struktural utama industri penerbangan.

Baik titanium dan aluminium ringan, tetapi masih ada perbedaan di antara keduanya. Meskipun titanium sekitar dua pertiga lebih berat daripada aluminium, kekuatan bawaannya berarti bahwa kekuatan yang dibutuhkan dapat dicapai dengan menggunakan lebih sedikit. Paduan titanium banyak digunakan dalam mesin jet pesawat dan berbagai jenis pesawat ruang angkasa, dan kekuatan serta kepadatannya yang rendah dapat mengurangi biaya bahan bakar. Kepadatan paduan aluminium hanya sepertiga dari baja, dan merupakan bahan ringan yang paling banyak digunakan dan umum untuk mobil pada tahap ini. Penelitian telah menunjukkan bahwa paduan aluminium dapat digunakan dalam kendaraan hingga 540kg. Dengan pengurangan berat 40 persen, bodi aluminium Audi, Toyota, dan kendaraan merek lainnya adalah contoh yang baik.

Sifat material aluminium dan titanium

Karena kedua bahan memiliki kekuatan tinggi dan kepadatan rendah, perbedaan lain harus dipertimbangkan ketika memutuskan paduan mana yang akan digunakan.

Kekuatan/Berat: Dalam situasi kritis, setiap gram bagian penting, tetapi jika bagian kekuatan yang lebih tinggi diperlukan, titanium adalah pilihan terbaik. Untuk alasan ini, paduan titanium digunakan dalam pembuatan perangkat medis/implan, rakitan satelit yang kompleks, perlengkapan, dan stent, antara lain.

Biaya: Aluminium adalah logam yang paling hemat biaya untuk permesinan atau pencetakan 3D; titanium mahal tapi masih bisa mendorong lompatan nilai. Penghematan bahan bakar suku cadang ringan untuk pesawat atau pesawat ruang angkasa akan sangat besar, sementara suku cadang titanium akan bertahan lebih lama.

Sifat termal: Paduan aluminium memiliki konduktivitas termal yang tinggi dan sering digunakan untuk membuat radiator; untuk aplikasi suhu tinggi, titik leleh tinggi titanium membuatnya lebih cocok, dan mesin aero mengandung sejumlah besar komponen paduan titanium.

Tahan korosi: Baik aluminium dan titanium memiliki ketahanan korosi yang sangat baik.

Ketahanan korosi titanium dan reaktivitas rendah menjadikannya logam yang paling biokompatibel, dan banyak digunakan dalam aplikasi medis seperti instrumen bedah. Ti64 juga tahan terhadap lingkungan asin dan sering digunakan dalam aplikasi kelautan.

Paduan aluminium dan paduan titanium sangat umum digunakan dalam aplikasi luar angkasa. Paduan titanium memiliki kekuatan tinggi dan kepadatan rendah (hanya sekitar 57 persen dari baja), dan kekuatan spesifiknya (kekuatan/kepadatan) jauh lebih besar daripada bahan struktural logam lainnya. Ini dapat menghasilkan suku cadang dengan kekuatan unit tinggi, kekakuan yang baik, dan ringan. Paduan titanium dapat digunakan dalam komponen mesin pesawat, kerangka, kulit, pengencang, dan roda pendarat. Data referensi teknologi pencetakan 3D menemukan bahwa paduan aluminium cocok untuk bekerja di lingkungan di bawah 200 derajat C. Bahan aluminium yang digunakan dalam bodi Airbus A380 mencakup lebih dari 1/3, dan C919 juga menggunakan sejumlah besar high- bahan paduan aluminium kinerja. Kulit pesawat, sekat, rusuk, dll. dapat dibuat dari paduan aluminium.

Manufaktur Aditif Titanium dan Industri Dirgantara

Seperti yang ditunjukkan oleh Global Aerospace and Defense Industry Outlook 2019 yang diterbitkan oleh Deloitte, seiring dengan pertumbuhan industri kedirgantaraan dan pertahanan, demikian juga permintaan produksi. Dan, ketika merancang untuk aplikasi kedirgantaraan dan pertahanan, pemilihan material sangat penting. Untuk komponen off-the-ground, mengurangi jumlah komponen dan berat adalah kuncinya. Di area ini, setiap 1g penurunan berat badan dapat membawa manfaat besar.

Titanium memiliki titik leleh yang sangat tinggi, lebih dari 1600 derajat , dan juga biasanya merupakan bahan yang sulit untuk dikerjakan, yang merupakan alasan utama mengapa lebih mahal daripada logam lain. Ti6Al4V saat ini merupakan bahan paduan titanium yang paling banyak digunakan. Tidak hanya ringan, tetapi juga memiliki kekuatan tinggi dan ketahanan suhu tinggi. Karakteristik ini membuatnya sangat populer di bidang kedirgantaraan. Aplikasi umum termasuk pembuatan bilah, cakram, selubung, dan bagian lain untuk bagian suhu rendah dari kipas dan kompresor mesin, dengan kisaran suhu pengoperasian 400-500 derajat ; juga digunakan dalam pembuatan komponen badan pesawat dan kapsul, kotak mesin roket dan hub Rotor helikopter, dll. Namun, meskipun suhunya tinggi dan ketahanannya terhadap korosi, titanium memiliki konduktivitas listrik yang buruk, menjadikannya pilihan yang buruk untuk aplikasi listrik. Titanium juga lebih mahal dibandingkan dengan logam ringan lainnya seperti aluminium.

Penggunaan Titanium di Industri Dirgantara

Penggunaan teknologi manufaktur aditif kondusif untuk mengurangi biaya pemrosesan dan pemborosan bahan baku, yang memiliki keuntungan ekonomi yang signifikan. Paduan berbasis titanium juga merupakan sistem paduan yang paling sistematis dan matang untuk penelitian manufaktur aditif. Komponen paduan titanium yang diproduksi secara aditif telah digunakan sebagai struktur penahan beban di bidang kedirgantaraan. Menurut survei referensi teknologi pencetakan 3D, Aero Met Company Amerika Serikat mulai memproduksi benda uji struktural sub-beban paduan titanium untuk pesawat tempur/serangan gabungan berbasis kapal induk Boeing F/A-18E/F. pesawat dalam batch kecil pada tahun 2001 dan memimpin dalam mewujudkan paduan titanium LMD pada tahun 2002. Penerapan bagian struktural penahan beban sekunder pada mesin verifikasi F/A-18. Beijing University of Aeronautics and Astronautics telah membuat terobosan dalam teknologi utama pembuatan aditif laser dari paduan titanium. Sifat mekanik yang komprehensif dari paduan secara signifikan melebihi dari tempa. Rangka paduan titanium bantalan utama skala besar dan komponen lain yang dikembangkan telah dipasang dan diterapkan pada pesawat. Northwestern Polytechnical University menggunakan teknologi manufaktur aditif laser untuk memproduksi sampel strip tepi atas dan bawah dari rusuk sayap tengah pesawat C919 untuk COMAC, dengan ukuran 3000mm×350mm×450mm dan massa 196kg.

Paduan berbasis aluminium memiliki kepadatan rendah, kekuatan spesifik tinggi, ketahanan korosi yang kuat, sifat mampu bentuk yang baik, dan sifat fisik dan mekanik yang baik. Mereka adalah bahan struktural logam non-ferrous yang paling banyak digunakan di industri. Untuk pembuatan aditif laser, bahan berbasis aluminium biasanya merupakan bahan yang sulit dikerjakan, yang ditentukan oleh sifat fisik khusus mereka (densitas rendah, absorptivitas laser rendah, konduktivitas termal tinggi, oksidasi mudah, dll.). Dari sudut pandang proses pembentukan manufaktur aditif, densitas paduan aluminium relatif kecil, fluiditas serbuk relatif buruk, keseragaman peletakan pada unggun serbuk pembentuk SLM buruk, atau kontinuitas transportasi serbuk di LMD prosesnya buruk. Oleh karena itu, presisi dan akurasi sistem pengumpanan bubuk/bubuk dalam peralatan manufaktur aditif laser relatif tinggi.

Saat ini, paduan aluminium yang digunakan dalam pembuatan aditif terutama paduan Al-Si, di antaranya AlSi10Mg dan AlSi12 dengan fluiditas yang baik telah dipelajari secara luas. Namun, karena sifat material dari paduan aluminium cor paduan Al-Si, meskipun dibuat dengan proses manufaktur aditif laser yang dioptimalkan, kekuatan tariknya sulit melebihi 400MPa, yang membatasi kinerja layanannya di ruang angkasa dan bidang lainnya. Gunakan pada anggota yang menahan beban tinggi.

Jumlah paduan aluminium yang digunakan di pesawat terbang setinggi 20 persen

Untuk lebih mendapatkan sifat mekanik yang lebih tinggi, banyak perusahaan dan universitas di dalam dan luar negeri telah mempercepat laju penelitian dan pengembangan dalam beberapa tahun terakhir, dan sejumlah besar paduan aluminium berkekuatan tinggi yang didedikasikan untuk manufaktur aditif telah terdaftar. Airbus telah mengembangkan Scalmalloy, bahan bubuk paduan aluminium kekuatan tinggi pertama di dunia untuk manufaktur aditif, dengan kekuatan tarik 520MPa pada suhu kamar, yang telah diterapkan pada manufaktur aditif bagian struktural kabin pesawat A320. Kekuatan paduan aluminium 7A77.60L kekuatan tinggi untuk pencetakan 3D yang dikembangkan oleh Laboratorium Penelitian Hughes (HRL) di Amerika Serikat melebihi 600Mpa, menjadikannya paduan aluminium kekuatan tinggi setara tempa pertama yang dapat digunakan untuk manufaktur aditif. Pusat Penerbangan Luar Angkasa Marshall NASA telah mulai Bahan ini digunakan dalam produksi suku cadang ruang angkasa skala besar; Referensi teknologi pencetakan 3D juga telah melaporkan jenis baru paduan aluminium berkekuatan tinggi yang dirancang dan dikembangkan oleh Institut Penelitian Industri CRRC domestik untuk pencetakan 3D, yang menerobos batasan paten Airbus. Stabilitas melebihi 560MPa, yang secara signifikan lebih baik daripada kinerja pencetakan bubuk paduan aluminium Airbus Scalmalloy®, yang dapat memenuhi kebutuhan pencetakan 3D dari suku cadang manufaktur kelas atas seperti peralatan transit kereta api domestik dan kedirgantaraan. aplikasi pembuatan bahan.

Komponen kedirgantaraan modern perlu memenuhi serangkaian persyaratan yang menuntut seperti ringan, kinerja tinggi, keandalan tinggi, dan biaya rendah, dan struktur komponen lebih kompleks dan lebih sulit untuk dirancang dan dibuat. Menginovasi dan mengembangkan teknologi utama untuk pembuatan aditif laser dari komponen berbasis aluminium, titanium, dan nikel di ruang angkasa, tidak hanya mencerminkan arah pengembangan kinerja ringan dan tinggi dalam pemilihan material, tetapi juga menyoroti ketepatan teknologi manufaktur aditif itu sendiri. , Tren pengembangan bentuk jaring dapat mewujudkan manufaktur aditif terintegrasi dari kinerja struktur material dan aplikasi rekayasa utama teknologi manufaktur aditif di aerospace.