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3D打印鋁材–終極指南

魔猴君  知識(shí)堂   337天前

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從汽車(chē)備件到衛(wèi)星天線(xiàn),3D打印鋁制部件的應(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)大,這是因?yàn)椴捎昧藢?zhuān)為增材制造開(kāi)發(fā)的新型鋁材料,而且3D打印機(jī)經(jīng)過(guò)更精細(xì)的調(diào)整,可以?xún)?yōu)化這些新型鋁合金。與傳統(tǒng)制造的鋁材相比,3D打印出的零件具有更好的材料特性,并具有增材制造才能實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜幾何形狀。

Scalmalloy為例。這種由鈧、鋁和鎂制成的高性能合金是APWorks公司專(zhuān)為增材制造而開(kāi)發(fā)的,據(jù)說(shuō)比鈦還要堅(jiān)固。最近,在瑞士舉行的2022小時(shí)記錄比賽中,菲利波-甘納(Filippo Ganna)以56.8 k/h的速度打破了記錄,并將其作為3D打印自行車(chē)車(chē)架進(jìn)行了測(cè)試。這輛"世界上最快的自行車(chē)"是在大型EOS M400機(jī)器上3D打印出來(lái)的。

Pinarello Bolide F HR 3D場(chǎng)地自行車(chē)車(chē)架由英國(guó)Metron Additive Engineering在EOS M400上采用Scalmalloy 3D打印而成(來(lái)源:Metron Additive Engineering)

一、3D打印鋁的優(yōu)點(diǎn)


3D打印零件展示了該技術(shù)在一個(gè)單元中打印內(nèi)部特征和復(fù)雜組件的能力。

采用Scalmalloy打印,這是賀利氏專(zhuān)門(mén)為增材制造開(kāi)發(fā)的鋁合金(來(lái)源:Hereaus)

鋁合金具有良好的耐化學(xué)性,重量輕,是強(qiáng)度重量比最好的金屬之一。鋁合金與硅和鎂結(jié)合在一起,能夠承受?chē)?yán)酷的條件,因此成為航空航天和汽車(chē)行業(yè)的首選。

使用鋁或其他金屬進(jìn)行3D打印的最大優(yōu)勢(shì)之一是,您可以創(chuàng)建具有其他方式無(wú)法制造的內(nèi)部通道和特征的零件。您可以將多部件組件打印成一個(gè)整體,從而大大縮短制造和裝配時(shí)間,并開(kāi)發(fā)出更高效的整體部件。

3D打印也不會(huì)產(chǎn)生大量廢料。相比之下,數(shù)控加工屬于減法加工。當(dāng)你使用昂貴的原材料時(shí),任何能減少浪費(fèi)的方法都是一大優(yōu)勢(shì)。這一點(diǎn)對(duì)于航空航天業(yè)來(lái)說(shuō)尤為重要,因?yàn)樵撔袠I(yè)一直在努力提高"采購(gòu)-飛行"比率,即采購(gòu)原材料的重量與最終零件的重量之比。

 

保時(shí)捷為電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)了3D打印鋁制外殼(來(lái)源:保時(shí)捷)

鋁的鑄造或機(jī)加工通常生產(chǎn)成本較高,而且在制造過(guò)程中耗能較多。此外,還需要支付額外的工具或模具費(fèi)用。相比之下,AM生產(chǎn)使用的鋁材可以加工出任何其他制造方法都無(wú)法實(shí)現(xiàn)的高精度復(fù)雜幾何形狀。

設(shè)計(jì)工作通過(guò)軟件完成,無(wú)需創(chuàng)建物理工具或模具即可完成制造??焖俪尚椭圃焐炭梢钥焖?、經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)小批量和定制零件,而且新興技術(shù)將繼續(xù)使更大規(guī)模的生產(chǎn)和更低的運(yùn)營(yíng)成本成為現(xiàn)實(shí)。

增材制造通常用于定制或小批量生產(chǎn),因?yàn)槭褂梅勰┐布夹g(shù)對(duì)零件進(jìn)行分層需要時(shí)間,然而正如萊昂納多和波音公司所展示的那樣,粘合劑噴射打印、直接能量沉積和其他方法有望改變這種狀況。

二、3D打印鋁的應(yīng)用


鋁制印刷的梅賽德斯-奔馳備件(來(lái)源:梅賽德斯-奔馳)

1、汽車(chē)


保時(shí)捷911的3D打印鋁活塞(來(lái)源:保時(shí)捷)

保時(shí)捷為其911旗艦車(chē)型GT2 RS的高性能鋁活塞進(jìn)行了3D打印,從而使700馬力的雙渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的功率提高了30馬力,同時(shí)還提高了效率。通過(guò)3D打印技術(shù),活塞的制造結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)優(yōu)化,能夠承受活塞上的載荷。因此,先進(jìn)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中的鋁制活塞比鍛造系列生產(chǎn)活塞的重量減輕了10%。此外,活塞冠部還集成了封閉式冷卻管道,這是傳統(tǒng)方法無(wú)法制造的。

"保時(shí)捷高級(jí)驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)部的弗蘭克-艾金格(Frank Ickinger)解釋說(shuō):"由于采用了更輕的新型活塞,我們可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、降低活塞上的溫度負(fù)荷并優(yōu)化燃燒。

2020年,保時(shí)捷還首次使用3D打印鋁材生產(chǎn)了用于電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的完整外殼。該公司表示,使用增材激光熔融工藝生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪箱單元順利通過(guò)了所有質(zhì)量和壓力測(cè)試。

梅賽德斯-奔馳正在為其卡車(chē)和轎車(chē)系列印制鋁制替換零件,并對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。其中一個(gè)例子是300 SL轎跑車(chē)的內(nèi)后視鏡底座,該替換零件經(jīng)過(guò)重新設(shè)計(jì),在道路安全方面實(shí)現(xiàn)了功能性改變,優(yōu)化了后方視野。

3D鋁材打印在售后市場(chǎng)零件方面也越來(lái)越受歡迎。在無(wú)法獲得原裝配件的情況下,世界各地的汽車(chē)修理廠(chǎng)都在使用3D打印鋁材。

2、航天

盡管重量更輕的鈦通常是航空航天的首選金屬,但鋁在許多應(yīng)用中仍然是主力軍??罩锌蛙?chē)公司(Airbus)在其A350 XWB和其他飛機(jī)的3D打印部件中使用了專(zhuān)門(mén)為增材制造開(kāi)發(fā)的現(xiàn)代鋁合金。此外,空客還在其通信衛(wèi)星中使用鋁制3D打印部件,其中有500多個(gè)增材制造部件。

除了最近與AML3D的合作之外,波音公司還在其飛機(jī)、衛(wèi)星和直升機(jī)中使用3D打印的定制鋁零件。在冷卻階段使用涂有特選納米顆粒的鋁合金進(jìn)行3D打印,可制造出高強(qiáng)度鋁合金,焊接時(shí)不會(huì)產(chǎn)生熱裂紋。這項(xiàng)突破性技術(shù)可能會(huì)使飛機(jī)的框架更輕,并讓飛機(jī)以更少的燃料飛得更遠(yuǎn)。

直升機(jī)制造商萊昂納多(Leonardo)與通過(guò)金屬增材制造技術(shù)制造液壓和流體動(dòng)力系統(tǒng)的Aidro公司簽訂了鋁制飛行部件合同。萊昂納多公司希望利用3D打印鋁材實(shí)現(xiàn)輕量化,并能生產(chǎn)出更緊湊、更復(fù)雜的飛行部件。

這標(biāo)志著航空航天業(yè)的發(fā)展趨勢(shì),即隨著工藝的成熟和新技術(shù)進(jìn)入市場(chǎng),從鈦等更成熟的特種材料擴(kuò)展到鋁等更便宜的粉末替代材料。

三、如何3D打印鋁


Elementum 3D的A6061-RAM2鋁合金用于構(gòu)建該散熱器(來(lái)源:Elementum 3D)

幾乎所有的金屬3D打印技術(shù)都能加工鋁,它們之間的區(qū)別在于速度、尺寸、細(xì)節(jié)程度以及原料的類(lèi)型和成本。

熔融沉積建模(FDM)

激光粉末床熔融(LPBF)

電子束熔化(EBM)

粘合劑噴射

冷熔

線(xiàn)弧增材制造(WAAM)

對(duì)于FDM,目前只有兩家公司提供鋁金屬絲(The Virtual Foundry和Zetamix)。這種方法需要后處理步驟,才能獲得90%以上的金屬零件。這是獲得鋁制零件最便宜的方法,因?yàn)殇X絲可用于大多數(shù)臺(tái)式FDM打印機(jī),但這種方法最常用于裝飾和原型金屬零件,而非功能性零件。

四、了解鋁材料


AM用鋁粉(來(lái)源:GE)

最近,用于增材制造的鋁合金的研發(fā)工作相當(dāng)活躍。在早期的增材制造過(guò)程中,工程師們?cè)谑褂娩X材時(shí)遇到了很多挑戰(zhàn),但現(xiàn)在情況已經(jīng)發(fā)生了變化。新型高性能鋁和合金是專(zhuān)為3D打印工藝而設(shè)計(jì)的,具有當(dāng)今制造商所需的傳統(tǒng)特性。這些材料特別適合利用激光和電子束增材制造的獨(dú)特熔化工藝。

一些新成立的公司采用專(zhuān)有的霧化技術(shù)生產(chǎn)高性能鋁合金粉末,專(zhuān)門(mén)用于3D打印。在過(guò)去三年中,"可打印"金屬材料的數(shù)量翻了一番,極大地?cái)U(kuò)展了用戶(hù)可以利用增材制造技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

Aconity3D使用Equispheres AlSi10Mg鋁粉打印的零件(來(lái)源:Aconity3D)

用于3D打印的特殊鋁材

UniFuse AlSi10MgUniformity Labs于2023年2月推出,是一種用于激光粉末床熔融3D打印的鋁粉末,層厚為50至90微米。Uniformity Labs目前正在以UniFuse和UniJet(粘合劑噴射版本)品牌進(jìn)行生產(chǎn),表示粉末將在規(guī)模上不斷改進(jìn)。

NExP-1是由材料公司Equispheres于2022年底推出的,是一種用于增材制造的防爆鋁合金原料,可減少3D打印材料日常處理相關(guān)的危險(xiǎn)。Equispheres還表示,其專(zhuān)為增材制造而設(shè)計(jì)的Performance AlSi10Mg粉末在Aconity3D激光粉末床熔融3D打印機(jī)上打印復(fù)雜的設(shè)備組件時(shí),能夠?qū)⒋蛴r(shí)間縮短60%以上。

Scalmalloy是增材制造公司APWorks專(zhuān)門(mén)為3D打印而開(kāi)發(fā)的,是強(qiáng)度最高的增材制造可加工鋁合金。它用于航空航天和賽車(chē)運(yùn)動(dòng),替代高強(qiáng)度7000系列鋁。

A20X鋁粉是由Aluminium Materials Technologies(現(xiàn)隸屬于Eckart Group)專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)用于增材制造。該公司表示,這種專(zhuān)為航空航天應(yīng)用設(shè)計(jì)的特殊合金可以生產(chǎn)比傳統(tǒng)鋁輕得多的部件。

Elementum 3D提供氣霧化鋁合金增材制造原料粉末,包括傳統(tǒng)鋁合金的增強(qiáng)版本和由該公司專(zhuān)有的反應(yīng)增材制造(RAM)工藝實(shí)現(xiàn)的先進(jìn)分散強(qiáng)化鋁粉末。RAM工藝使以前不可焊接、因此不可打印的鋁合金可作為原料粉末用于金屬3D打印。

EOS Aluminium Al2139 AM是打印機(jī)和材料制造商EOS的專(zhuān)有鋁合金,專(zhuān)為增材制造而設(shè)計(jì),可在高達(dá)200°C的高溫下提供性能。該合金于2021年推出,旨在讓EOS客戶(hù)有機(jī)會(huì)在不影響強(qiáng)度的情況下顯著減輕制造零件的重量(熱處理時(shí)的拉伸強(qiáng)度約為500 MPa)。

Aheadd是來(lái)自材料公司Constellium的兩種鋁粉末的集合,針對(duì)激光粉末床熔融工藝進(jìn)行了優(yōu)化。Aheadd CP1具有許多優(yōu)點(diǎn),包括接近純鋁的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性、高延展性和出色的表面處理特性。由于其極高的打印速度和簡(jiǎn)化的后處理,該合金也是其他增材制造應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)高效的替代品,這使得Aheadd CP1成為快速原型制作和批量生產(chǎn)的首選解決方案。

S220 AM是瑞典Granges粉末冶金公司于2022年推出的一種用于激光粉末床熔合的新型鋁合金。S220鋁合金具有高硅含量、低密度和低熱膨脹系數(shù)。目前僅作為服務(wù)提供。

KymeraECKA顆粒的CustAlloy鋁材專(zhuān)為激光粉末床熔合而設(shè)計(jì),在汽車(chē)應(yīng)用中特別有益,因?yàn)樗幌駛鹘y(tǒng)鋁材那樣快速破裂或破裂,從而使碰撞相關(guān)應(yīng)用成為可能。這種獲得專(zhuān)利的Al-Si-Mg基合金可進(jìn)行熱處理,以提供高強(qiáng)度或卓越的延展性,具體取決于最終應(yīng)用。

3D打印鋁可以進(jìn)行后處理和精加工。這些3D打印雕像由美國(guó)Mass Finishing,Inc.的Cole Mathisen完成(來(lái)源:Cole Mathisen)

標(biāo)準(zhǔn)3D打印鋁材

目前許多用于3D打印的鋁合金都是簡(jiǎn)單的鑄造合金,如AlSi10Mg。這些鋁合金強(qiáng)度不高,也不能承受高溫。盡管如此,它們的機(jī)械性能仍然適用于多種應(yīng)用,而且這種材料是"可焊接"的,因此可用于3D打印而不會(huì)開(kāi)裂。這些材料的特性可能是某些公司在金屬3D打印中的全部要求,但其他公司,尤其是航空航天和先進(jìn)制造業(yè),則需要更多。

雖然市場(chǎng)上有幾種不同類(lèi)型的鋁合金,但以下是一些在AM中較常用的鋁合金。

AISi10Mg是最常見(jiàn)的鋁合金,具有堅(jiān)固的強(qiáng)度、硬度和動(dòng)態(tài)特性。其重量輕,熱性能好,可塑性強(qiáng),可用于具有挑戰(zhàn)性的幾何形狀。其用途包括外殼、管道系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)零件和生產(chǎn)工具。

AlSi7Mg0將鋁、硅和少量鎂結(jié)合在一起,形成了一種高度耐用的輕質(zhì)材料,適用于精細(xì)物體和復(fù)雜幾何形狀。它適用于需要強(qiáng)度/質(zhì)量比以及良好熱性能的應(yīng)用。

6061和鋁70753D制造商開(kāi)始在使用6061和7075打印方面取得成功,以前認(rèn)為這兩種材料不利于AM工藝。納米粒子的融合正在取得進(jìn)展。

6000系列合金的特性使其成為最受歡迎的傳統(tǒng)電氣或電子零件制造材料之一。它們具有韌性、高導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和耐腐蝕性。6061是一種沉淀硬化鋁,含有鎂和硅。

7000系列合金粉含鋅量高,具有出色的機(jī)械性能,強(qiáng)度更高,可進(jìn)行熱處理。7075最常用于高應(yīng)力結(jié)構(gòu)零件,如飛機(jī)零件,其強(qiáng)度高于許多標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)鋼。



編譯整理:ALL3DP

   
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