3D打印金屬材料之鋁及鋁合金材料

3D打印所使用的金屬粉末一般要求純凈度高、球形度好、粒徑分布窄、氧含量低，目前應(yīng)用于3D打印的金屬粉末材料主要有鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼、鐵粉、鋁粉和鋁合金等少數(shù)幾種，此外還有用于打印首飾用的金、銀等貴金屬材料。

能夠應(yīng)用于金屬零件直接成型加工的3D打印技術(shù)有SLS（選擇性激光燒結(jié)），SLM（選擇性激光熔化），EBM（電子束熔煉），LENS（激光近凈成型技術(shù)）等。相比高分子材料、光敏樹(shù)脂材料和無(wú)機(jī)非金屬材料的3D打印技術(shù)，金屬3D打印的設(shè)備價(jià)格和運(yùn)行成本較高，工藝難度也偏大，在很大程度上限制了金屬材料在3D打印領(lǐng)域的發(fā)展。

鋁及鋁合金材料

鋁是自然界中分布最廣的金屬元素。地殼中鋁的含量約為8%(質(zhì)量)，僅次于氧和硅，是地殼中含量最豐富的自然元素。據(jù)報(bào)道，地球上的某些石英礦脈中以及月球土壤中含有少量自然鋁。已知的含鋁礦物有250多種，其中最常見(jiàn)的是鋁硅酸鹽類。鋁合金是以鋁為基礎(chǔ)，加入一種或幾種其他元素（如銅、鎂、硅、錳、鋅等）構(gòu)成的合金，從而提高了強(qiáng)度。鋁合金具有良好的耐腐蝕性能和加工型。

金屬鋁最初是用化學(xué)法制取的。1825年丹麥化學(xué)家H. C. Orsted和1827年德國(guó)化學(xué)家F. Wohler分別用鉀汞齊和鉀還原無(wú)水氯化鋁，都得到少量金屬粉末。1854年F. Wohler還用氯化鋁氣體通過(guò)熔融鉀的表面，得到了金屬鋁珠，每顆重10 mg～15 mg，因而能夠初步測(cè)定鋁的密度，并認(rèn)識(shí)到鋁的熔點(diǎn)不高，并具有延展性。電解法煉鋁起源于1854年，德國(guó)化學(xué)家R. W. Bunsen和法國(guó)化學(xué)家S. C. Deville分別點(diǎn)解氯化鈉-氯化鋁絡(luò)鹽，得到金屬鋁。1854年S. G. Devile在法國(guó)巴黎附近建立了一座小型煉鋁廠。1865年俄國(guó)化學(xué)家H. H. BeKeTOB提議用鎂來(lái)置換冰晶石中的鋁，這一方案被德國(guó)Gmelingen工廠采用。由于電解法興起，化學(xué)法便漸漸被淘汰。在整個(gè)化學(xué)法煉鋁階段中（1854-1895年），大約總共生產(chǎn)了200噸鋁。1883年美國(guó)人S.Bradley申請(qǐng)了電解熔融冰晶石的專利。

H. C. Orsted

國(guó)內(nèi)方面，中國(guó)的煉鋁試驗(yàn)工作起始自1934年天津的黃�；瘜W(xué)工業(yè)社，用800A預(yù)焙陽(yáng)極電解槽煉出金屬鋁。新中國(guó)成立后，中國(guó)鋁工業(yè)得到迅速發(fā)展。

金屬鋁

傳統(tǒng)的鋁合金鑄造技術(shù)存在很多缺陷。鑄造鋁合金的生產(chǎn)制造中存在的缺陷主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

（1）   鑄造在鑄注過(guò)程中會(huì)伴隨很多缺陷的形成，如錯(cuò)邊、尺寸不符、澆不足、氣孔、夾渣、針孔等，這些缺陷造成了鑄造工藝的廢品率在15%以上。

（2）   鑄造工藝中由于冷卻速度較慢，通常會(huì)造成鋁合金晶粒異常長(zhǎng)大，合金元素的偏析，嚴(yán)重影響鋁合金的力學(xué)性能。此外，鑄造鋁合金在應(yīng)用過(guò)程中的焊接性較差，容易產(chǎn)生塌陷、熱裂紋、氣孔、燒穿等缺陷，同時(shí)還會(huì)發(fā)生鋁的氧化、合金元素的燒損蒸發(fā)等導(dǎo)致焊縫性能降低，目前鋁合金的連接問(wèn)題也是制約其應(yīng)用的瓶頸。

傳統(tǒng)的鑄造成型工藝從鑄錠到機(jī)加工再到最后的實(shí)際零部件，需要多道工序完成，且材料利用率低，某些復(fù)雜零部件的材料利用率僅10%左右，并且鑄造過(guò)程中對(duì)模具的要求極高，對(duì)于一些復(fù)雜程度高的小型零部件甚至無(wú)法用鑄造方法來(lái)成型。因此，鑄造等傳統(tǒng)成型加工方法在某些特定領(lǐng)域（航空航天部件、汽車用復(fù)雜零部件、礦物加工異形過(guò)流件等）的局限性日益明顯。

而3D打印技術(shù)可以針對(duì)性地解決上述鑄造工藝中暴露出的一些缺陷，滿足鑄造過(guò)程中加工困難或無(wú)法加工的特殊零部件的成型加工需求。隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，人們對(duì)鋁合金零部件的結(jié)構(gòu)和鑄件性能的要求也日益提高，現(xiàn)在鋁合金結(jié)構(gòu)件的發(fā)展趨勢(shì)是復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)件的整體成型及工藝流程的智能化。形狀復(fù)雜，尺寸精密，小型薄壁，整體無(wú)余量零部件的快速生產(chǎn)制造是將來(lái)一段時(shí)期鋁合金零部件加工的發(fā)展方向。

優(yōu)勢(shì)&技術(shù)限制

鋁應(yīng)用在3D打印中的優(yōu)勢(shì)：

1.  熔點(diǎn)低。鋁的熔點(diǎn)低，因此其3D打印激光燒結(jié)溫度遠(yuǎn)低于其他金屬材料。

2.  密度小。鋁可用來(lái)制造輕結(jié)構(gòu)，有“會(huì)飛金屬”之稱。因此在打印物件時(shí)所需的支撐要求低于其他金屬材料。

3.  可強(qiáng)化。純鋁強(qiáng)度不高，可通過(guò)添加各種元素變成鋁合金，使其強(qiáng)度提高。

4.  塑性好，易加工。鋁可用來(lái)拉成管材和細(xì)絲，擠成各種型材�，F(xiàn)在也有使用鋁材料進(jìn)行FDM打印的研究報(bào)道。

鋁應(yīng)用在3D打印中的缺陷：

1.  化學(xué)活性高。鋁被制成粉末后，表面積增加，其化學(xué)活性進(jìn)一步上升，容易燃燒，加工安全性較低。

2.  強(qiáng)度低，機(jī)械性能不佳。

3.  鋁表面上極易生成致密而牢固的氧化鋁薄膜，導(dǎo)致燒結(jié)困難。

鋁合金材料能夠在一定程度上克服上述缺點(diǎn)。鋁合金材料具有密度輕、彈性好、比剛度和比強(qiáng)度高、耐磨耐腐蝕性好、抗沖擊性好、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、良好的成型加工性能以及高的回收再生性等一系列優(yōu)良特性。鋁合金材料被應(yīng)用于諸多領(lǐng)域：因其具有良好的導(dǎo)電性能，可代替銅作為導(dǎo)電材料；鋁具有良好的導(dǎo)熱性能，是制造機(jī)器活塞、熱交換器、飯鍋和電熨斗等的理想材料；鋁合金也被應(yīng)用于建筑行業(yè)，如鋁門窗、結(jié)構(gòu)件、裝飾板、鋁幕墻等；航空航天、造船、石油及國(guó)防軍工部門更需要高精尖鋁合金材料。一家超音速飛機(jī)約由70%的鋁及其合金構(gòu)成。船舶建造中，一艘大型客船的用鋁量常達(dá)幾千噸。

2015年，空客防務(wù)和航天公司在英國(guó)宣稱，他們已經(jīng)使用鋁生產(chǎn)了第一個(gè)航天質(zhì)量的3D打印部件。該部件是英國(guó)國(guó)家空間技術(shù)計(jì)劃下面一個(gè)兩年期的研究和開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的成果。英國(guó)國(guó)家空間技術(shù)計(jì)劃是由Innovate UK和英國(guó)航天局共同發(fā)起的。

鋁制3D打印部件三維建模

研發(fā)團(tuán)隊(duì)說(shuō)，這些新的3D打印部件無(wú)法使用常規(guī)的制造方法完成。它們包括使用航空級(jí)鋁合金建造的結(jié)構(gòu)支架。這種3D打印的航天級(jí)支架，是用SLM激光熔融一次制造完成的，其重量比以前的托架少了35%。 它取代了四個(gè)獨(dú)立部件的功能，其中包括44顆鉚釘。相比較而言，3D打印的部件硬度提升了40%，而且制造過(guò)程中不像傳統(tǒng)技術(shù)那樣產(chǎn)生大量的材料浪費(fèi)。

英國(guó)國(guó)家空間技術(shù)計(jì)劃研發(fā)的航空航天零部件

對(duì)于工業(yè)級(jí)3d打印機(jī)而言，3d打印材料的堅(jiān)韌性是決定其應(yīng)用廣泛與否的一個(gè)重要方面。美國(guó)普渡大學(xué)（Purdue University）研究助理兼實(shí)驗(yàn)室技術(shù)員Dahlon P Lyles為了進(jìn)行關(guān)于晶格結(jié)構(gòu)的概念驗(yàn)證，用鋁合金3D打印了一個(gè)晶格結(jié)構(gòu)的立方體。為了測(cè)試這個(gè)鋁合金晶格的強(qiáng)度，Lyles和他的團(tuán)隊(duì)對(duì)3.9克的3D打印立方體進(jìn)行了擠壓試驗(yàn)。最終結(jié)果表明，晶格最大能夠承受的重量達(dá)到幾乎900磅（408千克）。也就是說(shuō)，這個(gè)小小的立方體結(jié)構(gòu)能夠承受其自身104615倍的重量。

Lyles表示，由于重量輕、堅(jiān)硬度好，晶格結(jié)構(gòu)未來(lái)不僅僅能在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到應(yīng)用而且在建筑、工程都具有較好的應(yīng)用前景。

鋁制的晶格結(jié)構(gòu)（圖片來(lái)源：3D科學(xué)谷）

瑞典Lund大學(xué)的OlafDiegel教授利用EOS公司的金屬3D打印機(jī)制成的鋁制吉他

澳大利亞的3D打印無(wú)人機(jī)團(tuán)隊(duì)FusionImaging開(kāi)發(fā)出鋁制無(wú)人機(jī)，時(shí)速達(dá)到141公里/小時(shí)

3D打印的鋁制藝術(shù)品

利用SLS（選擇性激光燒結(jié)）打印的鋁制工業(yè)品

利用金屬鋁打印的工業(yè)制品

3D打印的鋁制開(kāi)瓶器（圖片來(lái)源：Shapeways）

3D打印鋁制馴鹿（伯明翰大學(xué)）

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