AM-Additive Manufacturing מציעה ייצור תעופה וחלל בנפח גבוה של רכיבים בעלי מורכבות גבוהה, אחרת לא אפשרי בטכניקות ייצור מסורתיות. בעוד שישנן דוגמאות רבות בחברות תעופה וחלל גדולות ובחברות סטארט-אפ רבות, הדפסת תלת-ממד סלקטיבית של היתוך מתכת בלייזר היא כיום התהליך הדומיננטי ביותר, ואחריו DED (כולל LW-DED ו-LP-DED).
סגסוגות AM נפוצות ליישומי תעופה וחלל
מבחר המתכות לצרכי ייצור תוספים בחלל התרחב לכלול סגסוגות אלומיניום, פלדות אל-חלד, סגסוגות טיטניום, סגסוגות-על מבוססות ניקל וברזל, סגסוגות נחושת וסגסוגות חסינות.
ניתן לאתר את השורשים של חלק מסגסוגות אלה לשיטות עיבוד מסורתיות ולהמשיך לשמש ברכיבי תעופה וחלל. סגסוגות חדשות וקיימות מפותחות כל הזמן, ולכן רשימת הסגסוגות הנוכחית אינה ממצה.
בנוסף, רבות מהסגסוגות הנוכחיות הגיעו רק לשלב הפיתוח וייתכן שאינן מוכשרות במלואן ליישומי תעופה וחלל תוך שימוש בתהליכי ייצור תוספים ספציפיים, כאשר L-PBF, LP-DED ו-AW-DED הם התחומים הנחקרים ביותר.
בהתאם לתהליך הייצור התוסף המשמש, חומר ההזנה משתנה מאבקה סגסוגת מראש (בדרך כלל מיוצרת על ידי אטומיזציה של גז), חוט, יריעות או מוט מוצק. בעוד שמספר הסגסוגות הזמינות מוגבל בהשוואה לסגסוגות מחושלות, עדיין קיימות סגסוגות תעופה וחלל נפוצות ומוכרות רבות זמינות, עם האזהרה שרמות הבשלות משתנות.
סגסוגות על מבוססות ניקל
סגסוגות-על מבוססות ניקל פופולריות רבות בפלטפורמות ייצור תוספות AM, ו-Inconel 625 ו-Inconel 718 משמשים ביישומים רבים. סגסוגות-על מבוססות ניקל וברזל נבחרו בשל תכונותיהן המכניות המצוינות בטמפרטורות ולחצים גבוהים, והן משמשות לעתים קרובות בסביבות קשות (עמידות בפני קורוזיה וחמצון).
סגסוגות-על מבוססות ברזל כגון A-286, JBK-75 ו-NASA HR-1 משמשות בדרך כלל ביישומי מימן בלחץ גבוה כגון מנועי רקטות כדי להפחית את הסיכונים הקשורים להתפרקות סביבתית מימן (HEE). בנוסף, לסגסוגות העל הללו יש עמידות גבוהה לזחילה. השילוב של מאפיינים אלה עוזר להגביר באופן משמעותי את היעילות של מנועי מטוסים מודרניים.
סגסוגות-על הן מתכות מפתח בייצור רכיבים רבים במנועי טורבינת גז בלחץ גבוה, כולל הבעירה, הטורבינה, המעטפת, הדיסקים והלהבים.
יישומים אחרים בטמפרטורה גבוהה ונמוכה כוללים שסתומים למנועי רקטות נוזליים, מכונות טורבו, מזרקים, מצתים וסעפות. נכון להיום, למעלה מ-50 אחוז ממנועי המטוסים המתקדמים לפי משקל מורכבים מסגסוגות-על מבוססות ניקל.
סגסוגת טיטניום
יחס חוזק למשקל הוא מדד מפתח נוסף, וזו הסיבה שסגסוגות טיטניום מועילות. סגסוגות טיטניום משולבות מאוד ביישומי תעופה וחלל - מציעות עמידות מצוינת בפני קורוזיה ושימוש בטמפרטורה מתונה - והיו נושא לעניין רב בייצור תוסף.
באופן ספציפי, Ti-6Al-4V היא סגסוגת נפוצה עבור גלגלי נחיתה, מסגרות מיסבים, מכונות מסתובבות, דיסקים ולהבים מדחסים, מיכלי הנעה קריוגניים ורכיבים רבים אחרים בתחום התעופה. Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti6242) משמש בלהבי מדחס ומכונות מסתובבות, בעוד טיטניום אלומיניד (-TiAl) נמצא בשימוש פעיל בלהבי טורבינה .
סגסוגת אלומיניום
למרות שהן חלשות יותר מסגסוגות טיטניום, לסגסוגות האלומיניום יש יחס חוזק למשקל טוב והן בחירה נפוצה (ומבוססת היטב) של חומרי תעופה וחלל. על פי 3D Science Valley, סגסוגות האלומיניום המשמשות בייצור חלקים המיוצרים באופן תוסף כוללות את סדרות 1xxx, 2xxx, 4xxx, 6xxx ו-7xxx המבוססות על אלמנטים מתגזרים, שרבים מהם מיוצרים בתהליכי ייצור תוספים במצב מוצק וניתן להשתמש בהם בתהליך AFS-D ו-UAM לעיבוד.
סגסוגות אלומיניום פותחו כדי להפחית את פיצוח התהליך על ידי תהליך הדפסה תלת מימד של מתכת מותכת במיטת אבקה-PBF ותהליך התכה של מתכת תלת-ממדית של הדפסת אנרגיה מכוונת, כולל AlSi10Mg, F357, A205, 7A77, 6061-RAM2, Scalmalloy וכו' עם זאת, לסגסוגות אלומיניום ישנן גם מספר חסרונות בשל ביצועים גרועים בטמפרטורה גבוהה, בעיות תיקון ריתוך, ובדרך כלל עמידות ירודה במתח, פיצוח קורוזיה ואתגרים אחרים.
פלדת אל - חלד
בהשוואה לטיטניום או סגסוגות-על, לנירוסטה יש יחס חוזק-משקל טוב, עמידות בטמפרטורה גבוהה ועלות נמוכה יותר, כך שהיא נמצאת בשימוש נרחב ברכיבי מטוסים וחלליות. נירוסטה מציגה עמידות גבוהה בפני קורוזיה, עמידות חמצון ועמידות בפני שחיקה בסביבה הנכונה.
פלדת אל חלד משמשת במערכות מנוע ופליטה, רכיבים הידראוליים, מחליפי חום, מערכות משטחי נחיתה ומפרקים מבניים. פלדה משמשת גם ברכיבי תעופה וחלל כגון צירים, מחברים, ציוד נחיתה ורכיבים אחרים במטוסים. מגוון פלדות אל חלד ופלדות מיוחדות משמשות בדרך כלל עם AM, כולל אוסטניטית (כלומר 316L) והתקשות משקעים (PH). עם זאת, למרות היתרונות הללו, הפלדה צפופה יחסית, ולכן השימוש בה מוגבל להפחתת מסת המערכת. פלדה אינה פופולרית לייצור תוסף מכיוון שסגסוגות מסוימות נוטות להיסדק, והיא יכולה להיווצר בקלות על ידי טכניקות מסורתיות והיא משמשת לעתים קרובות במכלולים פחות מורכבים.
סגסוגת זו פותחה במקור כדי לשפר תכונות מכניות (למשל, עמידות לזחילה, חוזק מתיחה, שלמות מיקרו-מבנית) בטמפרטורות קיצוניות. הסגסוגת מראה הבטחה ברכיבי מתכת עבור טורבינות גז, מנועי רקטות, כורים גרעיניים ויישומים אחרים בטמפרטורה גבוהה. עם זאת, תהליכי סגסוגת מכניים מסורתיים לייצור סגסוגות כאלה הם מאוד לא יעילים, גוזלים זמן ויקרים, והדפסת תלת מימד פותחת קיצור דרך להשגת סגסוגות כאלה.
חומר ה-ODS-MEA של נאס"א מעובד על ידי טכנולוגיית הדפסת תלת מימד של מתכת L-PBF המסת לייזר סלקטיבית. ניתן לייצר את הסגסוגת לגיאומטריות מורכבות והיא עמידה בפני פיצוח מתח והפרדה דנדרטית.
הוכח שהתהליך של נאס"א יוצר רכיבים עם חיי קרע זחילה משופרים פי 10 ב-1100 מעלות וחזקים ב-30 אחוזים מהחלקים המודפסים בתלת-ממד הנוכחיים. סגסוגות ה-ODS-MEA החדשות יכולות למצוא יישומים שבהם נעשה שימוש כיום בסגסוגות ODS (למשל, כאלה המערבות סביבות תרמיות קיצוניות), כולל לייצור חשמל, הנעה (רקטות, מנועי סילון וכו'), יישומי אנרגיה גרעינית, וכרייה ומלט. תעשיות ייצור לייצור ציוד, רכיבי טורבינת גז (הגדלת טמפרטורת האוויר הנכנסת מגבירה את היעילות), ועוד.
סגסוגות על מבוססות קובלט, סגסוגות נחושת
עבור יישומים בטמפרטורה גבוהה שבהם לא נדרשת מוליכות תרמית גבוהה, ניתן להשתמש בסגסוגות מבוססות קובלט (כולל CoCr ו-Stellite). עם זאת, כאשר מוליכות תרמית היא בראש סדר העדיפויות, סגסוגות נחושת באות לידי ביטוי. המוליכות התרמית הגבוהה שלהם מתאימה באופן טבעי למחלפי חום. עבור יישומי רקטות, שטף החום הגבוה ביותר מתרחש בתוך מכלול תא הדחף, כך שאזור זה הוא זה שחווה לחץ גבוה. בתורו, סגסוגות נחושת המשמשות בסביבות אלו דורשות חוזק גבוה ומוליכות תרמית גבוהה (תוך עמידה בדרישות תאימות חומרים עם חומר ההנעה הנבחר).
סגסוגות נחושת נפוצות וותיקות של AM-AM כוללות את GRCop-42, GRCop-84, C18150 (Cu-Cr-Zr), C18200 (Cu-Cr) ו-GlidCop.
אַחֵר
ייצור תוסף יכול ליצור מתכות דו מתכתיות ומתכות מותאמות אישית. ניתן להוסיף חומרים באופן דיסקרטי לעיצוב כדי לייעל תכונות תרמיות או מבניות. ניתן לייצר מוצרים עם מעילים מבניים, אוגנים, בוסים או תכונות אחרות כדי לייעל את המשקל של כל המשנה. אלה יכולים לכלול מעברי מתכת נפרדים או חומרים בדירוג פונקציונלי (FGMs).
סגסוגות מתכת אחרות שניתן להשתמש בהן ביישומי תעופה וחלל כוללות מתכות עקשנות כגון ניוביום, טנטלום, מוליבדן, רניום וטונגסטן וסגסוגותיהם. C-103 מבוסס ניוביום נפוץ ביישומים כגון חרירי קירור קרינתי, מערכות בקרת תגובת חלל וקצוות מובילים של כנפיים היפרסוניות.
סגסוגות אחרות המבוססות על ניוביום (WC3009, C129Y, Cb752, FS-85) משמשות במערכות הגנה תרמיות של מטוסים ובמבני ליבה של כורי חלל.
סגסוגות מבוססות טנטלום (Ta10W, Ta111, Ta122) משמשות בדרך כלל בסביבות קורוזיביות בלחץ גבוה ובטמפרטורה גבוהה במיוחד.
חומרים עקשנים מבוססי מוליבדן משמשים ביישומים בטמפרטורה גבוהה במיוחד, כגון צינורות חום מתכת אלקלית ואלמנטים של הנעה תרמית גרעינית. סגסוגות מבוססות כבדות מפותחות הרבה פחות לייצור תוספים, אך יש להן שימושים פוטנציאליים בבעירה עצמית ולהבי טורבינה חד-גבישיים.