¿Se puede imprimir en 3D un colector de admisión personalizado en aluminio?

La mayoría de los metalesColector de admisión de aluminio impreso en 3DLos proyectos utilizan fusión de lecho de polvo por láser (SLM o L-PBF). Un láser funde finas capas de polvo de aluminio una tras otra según el archivo CAD. No se requiere molde. Los corredores internos complejos y los plenos se pueden formar como una sola pieza.

La aleación más común es AlSi10Mg. Es una aleación de aluminio, silicio y magnesio de tipo fundición que ofrece un sólido equilibrio de resistencia, conductividad térmica e imprimibilidad. Está ampliamente especificado para piezas automotrices y aeroespaciales que necesitan poco peso y una transferencia de calor decente. La impresión 3D de AlSi10Mg se ha convertido en la ruta predeterminada para muchas aplicaciones de admisión personalizadas exactamente por estas razones.

¿Qué partes de una variedad son buenas candidatas?
Los casos de uso más sólidos son canales con rutas de flujo optimizadas, plenos complejos, funciones de montaje integradas y canales internos que serían difíciles o imposibles de perforar en una fundición tradicional. Las formas externas simples con poca complejidad interna rara vez justifican el proceso.

Un estudio comparativo de 2020 en el Journal of Materials Science & Technology analizó SLM AlSi10Mg frente a la misma aleación producida por fundición. El material SLM mostró una mayor resistencia a la tracción (aproximadamente 430–445 MPa versus aproximadamente 313–315 MPa para el material fundido a temperatura ambiente) pero un menor alargamiento. La vida a la fatiga fue menor porque las partículas residuales de polvo no fundido, las inclusiones de óxido y los poros actúan como puntos de inicio de grietas.

Un artículo de la Web de conferencias MATEC de 2016 informó que los parámetros SLM optimizados podrían alcanzar una densidad relativa del 99,13 %. Las propiedades mecánicas en esas condiciones eran comparables y, en algunos casos, mejores que las de la aleación A360 fundida a alta presión, incluso sin un posprocesamiento pesado.

Las hojas de datos de materiales de proveedores de polvo establecidos enumeran AlSi10Mg para componentes relacionados con el motor, incluidos los colectores de admisión, debido a su combinación de resistencia, conductividad térmica y baja densidad.

La fuerza es buena, pero los poros y la fatiga son los verdaderos peligros.
La fuerza estática rara vez es el factor limitante para un colector de admisión. Las cargas cíclicas, las vibraciones y la resistencia a la fatiga a largo plazo son más importantes. La porosidad residual y los defectos conectados a la superficie pueden reducir la vida útil. El control adecuado del proceso, los controles de densidad y el tratamiento térmico son esenciales.

Tres preguntas de calidad que siempre recomendamos hacer:

¿Qué densidad relativa logra consistentemente y cómo se mide?

¿Qué ciclo de tratamiento térmico se aplica: alivio del estrés, envejecimiento o ambos?

¿Realiza tomografías computarizadas, pruebas de presión o ambas en las rutas de flujo críticas?

En nuestras construcciones hemos visto que la verificación de la densidad y el tratamiento térmico adecuado marcan una mayor diferencia en la confiabilidad a largo plazo que los números de tracción impresos por sí solos.

La ausencia de herramientas significa que las iteraciones del diseño pueden realizarse en días en lugar de semanas. La geometría del flujo interno se puede optimizar sin los límites de los núcleos y los ángulos de salida. Las características que normalmente necesitarían soldadura o ensamblaje se pueden imprimir como una sola pieza.

La reducción de peso es otro beneficio práctico. En el proyecto FEV LeiMot, una culata de AlSi10Mg fabricada mediante fabricación aditiva ahorró 2,3 kg (22 %) en comparación con la fundición convencional, y los principales componentes del motor juntos eran alrededor de un 21 % más ligeros. Más recientemente, Nikon SLM Solutions y Bosch mostraron un bloque de motor V8 completo de una sola pieza impreso en AlSi10Mg, lo que demuestra que las piezas grandes y complejas del tren motriz de aluminio ahora son realistas en máquinas con capacidad de producción.

Un cliente necesitaba un pequeño lote de colectores de admisión de alto rendimiento con geometría de rodete revisada. Las herramientas de fundición eran demasiado lentas y costosas para los ciclos de diseño planificados.

Orientamos la pieza para mantener el soporte fuera de las rutas de flujo críticas tanto como fuera posible, controlamos cuidadosamente la colocación del soporte, aplicamos un tratamiento térmico para aliviar la tensión y mecanizamos mediante CNC las caras de sellado y las interfaces de montaje hasta la tolerancia final. Las comprobaciones de densidad y dimensiones se completaron antes de que salieran las piezas. Los colectores cumplieron con el flujo requerido y el rendimiento de sellado y llegaron más rápido de lo que hubiera permitido una ruta de herramientas convencional.

Esa secuencia (orientación de impresión, soportes controlados, tratamiento térmico y luego acabado CNC de las superficies de sellado) es la forma estándar en que manejamos un colector de admisión de aluminio impreso en 3D cuando la complejidad de la geometría y el cronograma importan más que el costo unitario de gran volumen.

Para automóviles de producción de gran volumen donde domina el costo por pieza, la fundición convencional es aún más económica una vez que se pagan las herramientas.

Las caras de sellado, las roscas críticas y las superficies de montaje de precisión casi siempre necesitan un acabado CNC después de la impresión. Una tienda exclusivamente de impresión no puede ofrecer un colector listo para instalar. busca unimpresión 3D de aluminio fábrica que puede manejar tanto el paso aditivo como el mecanizado necesario bajo un mismo techo.

Los colectores de nailon reforzado con polímero o fibra de carbono pueden ser aún más ligeros y se han utilizado en algunos prototipos de carreras. Se adaptan a determinadas carreras o entornos de prototipos a corto plazo, pero tienen diferentes límites de temperatura y durabilidad a largo plazo en comparación con el aluminio. No son sustitutos directos bajo el calor continuo del motor.

Haga estas cinco preguntas:

¿Pueden proporcionar certificados de materiales y datos de densidad o porosidad medidos para la construcción específica?

¿Realizan tratamientos térmicos internos (alivio del estrés o envejecimiento)?

¿Se pueden sellar caras, puertos y elementos de montaje con máquina CNC después de imprimir?

¿Qué métodos de inspección están disponibles: tomografía computarizada, pruebas de presión, informes dimensionales?

¿Cuáles son los plazos de entrega realistas y las cantidades mínimas para prototipos y lotes pequeños?

Un fabricante capaz de colectores de admisión personalizados o un proveedor de colectores de admisión de lotes pequeños responderá claramente y podrá mostrar evidencia del proceso. Un socio de impresión 3D de colector de admisión OEM también debe demostrar experiencia en documentación y trazabilidad de nivel automotriz. Los sistemas de calidad documentados y los controles de procesos brindan una confianza adicional de que se aplican los mismos estándares desde el primer prototipo hasta el siguiente lote pequeño.

El costo de un colector de admisión impreso en 3D depende del volumen de la pieza (altura de construcción y uso de polvo), el volumen de la estructura de soporte, el posprocesamiento (tratamiento térmico, mecanizado, acabado de superficies) y la cantidad. Las piezas más grandes o con mayor soporte cuestan más por pieza. Los plazos de entrega de los prototipos generalmente se miden entre días y un par de semanas una vez que el archivo está listo, generalmente significativamente más cortos que una ruta de herramientas. Los lotes de producción pequeños siguen el mismo proceso con menos iteraciones.

El precio exacto necesita el modelo y las especificaciones CAD. Los principales factores de costo siguen siendo la complejidad de la geometría, el posprocesamiento requerido y el volumen de pedidos.

Un colector de admisión de aluminio impreso en 3D bien ejecutado resuelve los problemas de retraso en el uso de herramientas y flexibilidad de diseño que crea la fundición tradicional para trabajos personalizados y de bajo volumen. El éxito depende de elegir la aleación adecuada, controlar la densidad y el posprocesamiento y trabajar con un taller que pueda terminar las superficies críticas.