3D打印鋁的應用和常用材料！

導讀：從汽車備件到衛(wèi)星天線，鋁材料一直以來都是人們的最優(yōu)選擇�，F(xiàn)在隨著增材制造的發(fā)展，新型鋁材料不斷被研發(fā)出來，3D打印機也逐步向著更高精度發(fā)展，所以3D打印鋁部件的應用正在擴大。通過3D打印制造的鋁零件具有更好的材料特性，并且還能實現(xiàn)復雜的幾何形狀。鋁材料的3D打印有哪些應用領(lǐng)域？常用的鋁材料又有哪些？


△Pinarello Bolide F HR 3D自行車車架由英國 Metron Additive Engineering 在 EOS M400 上用 Scalmalloy 3D 打印

●以 Scalmalloy 為例，這是一種專為增材制造而開發(fā)的由鈧、鋁和鎂制成的高性能合金，比鈦更堅固！研發(fā)人員利用這個材料制造了3D打印自行車車架并進行了一系列測試，幫助Filippo Ganna在瑞耐力賽中創(chuàng)造了破紀錄的速度 (56.8 km/h)。這個被譽為“世界上最快的自行車”是在大幅面 EOS M400 機器上 3D 打印出來的。

●由 Uniformity Labs 開發(fā)的用于3D打印的新型UniFuse鋁合金 (AlSi10Mg) 可顯著加快激光粉末床熔融鋁打印速度，這種材料具有高性能，整體來看性價比很高。

●SLM Solutions和Velo3D都不斷探索和迭代，在其3D打印機上提供新工藝，他們使用鋁合金 F357 制造了更高性能的零件。SLM Solutions 稱，這種鋁合金非常適合 3D 打印薄壁和復雜結(jié)構(gòu)，而這些結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)制造中具有挑戰(zhàn)性。

●航空航天公司霍尼韋爾正在與 SLM 合作，以驗證 F357 零件的性能， Velo3D 正在與 PWR 合作，PWR 是一家為一級方程式、納斯卡和其他賽車賽事提供先進冷卻解決方案的全球供應商，經(jīng)驗證，利用增材制造技術(shù)生產(chǎn)零件比傳統(tǒng)的鑄造要快的多。

●3D打印機制造商 Trumpf 于2022年底宣布，它正在與金屬粉末制造商ECKA Granules密切合作，提供針對其激光粉末床機器進行調(diào)整的CustAlloy 鋁合金，用于新的汽車應用。


△AML3D 使用機械臂在大型零件的制造中沉積鋁線


△一個3D打印部件，展示了增材制造技術(shù)在一個單元中打印內(nèi)部特征和復雜組件的能力。采用 Scalmalloy 打印，Heraeus 專門為增材制造開發(fā)的一種鋁合金

鋁材的優(yōu)勢：
●鋁合金具有良好的耐化學性，非常輕，并且具有所有金屬中最好的強度重量比之一。

●與硅和鎂相結(jié)合，它是航空航天和汽車行業(yè)許多人的選擇，因為它能夠承受惡劣的條件。

●鋁或任何金屬 3D 打印的最大優(yōu)勢之一是，可以創(chuàng)建具有內(nèi)部通道和特征的零件，而這些零件無法通過任何其他方式制造。

●用戶可以將多部件組件作為一個單元進行打印，從而大大縮短制造和裝配時間，并開發(fā)出整體上更高效的部件。

●3D 打印也不會產(chǎn)生太多浪費(因為是一種減材制造）。這對于航空航天業(yè)來說尤其重要，即采購原材料的重量與最終部件重量的比值。


△保時捷為電動汽車開發(fā)了 3D 打印鋁制外殼

●鑄造或機加工鋁通常具有更高的生產(chǎn)成本，并且在制造過程中使用更多的能源，還有購買夾具或模具的額外費用，AM則不會有這種問題。

●設計工作通過軟件完成，無需創(chuàng)建物理工具或模具即可完成。增材制造制造商可以快速且經(jīng)濟地生產(chǎn)小批量和定制零件，新興技術(shù)繼續(xù)使更大的生產(chǎn)運行和更低的運營成本成為現(xiàn)實。

●由于使用粉末床技術(shù)對零件進行分層需要耗費一些時間，因此增材制造通常用于定制或小規(guī)模生產(chǎn)運行，但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情況.


△用鋁打印的梅賽德斯-奔馳備件（來源：梅賽德斯-奔馳）

接下來看看打印機制造商和材料制造商如何合作推動 3D 打印鋁材的新應用：
汽車
●福特汽車公司在2023年3月份宣布，計劃每年生產(chǎn)多達 200,000 個生產(chǎn)級3D 打印鋁部件，這意味著用于工業(yè)的大批量 3D 打印鋁已經(jīng)到來。福特與其合作伙伴 3D 打印機制造商 ExOne 合作了幾年，領(lǐng)導一個由工程師、材料科學家和制造專家組成的團隊，開發(fā)了一種正在申請專利的工藝，用于快速可靠的粘合劑噴射 3D 打印和鋁燒結(jié)，提供與壓鑄一致的性能。ExOne 首席執(zhí)行官 John Hartner 表示：“開發(fā)一種快速、經(jīng)濟且簡單的方法來 3D 打印具有傳統(tǒng)材料特性的鋁，是朝著輕量化更多產(chǎn)品和實現(xiàn)更可持續(xù)的未來邁出的關(guān)鍵一步�！�



△保時捷 911 的 3D 打印鋁活塞（來源：保時捷）

●保時捷3D打印高性能鋁活塞，現(xiàn)在已經(jīng)用在了911旗艦車型GT2 R上S，使 700 PS 雙渦輪增壓發(fā)動機的功率增加了 30 PS，同時提高了效率。此先進開發(fā)項目的鋁制活塞重量比鍛造系列生產(chǎn)活塞輕 10%，在活塞頂上還有一個集成的封閉式冷卻管道，這是傳統(tǒng)方法無法生產(chǎn)的。保時捷高級驅(qū)動開發(fā)部門的 Frank Ickinger 解釋說：“由于采用了更輕的新型活塞，我們可以提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速，降低活塞上的溫度負荷并優(yōu)化燃燒�！北�時捷還在 2020 年使用 3D 打印鋁生產(chǎn)了第一個完整的電驅(qū)動外殼，該公司表示，使用增材激光融合工藝生產(chǎn)的發(fā)動機變速箱單元通過了所有質(zhì)量和壓力測試，沒有任何問題。

●梅賽德斯-奔馳正在為其卡車和汽車系列打印鋁制替換零件并對其進行改進。例如，300 SL Coupé 的內(nèi)后視鏡底座，更換部件經(jīng)過重新設計，在道路安全方面進行了功能更改，可提供優(yōu)化的后方視野。

航天
●盡管重量較輕的鈦通常是航空航天的首選金屬，但鋁仍然是許多應用中的主力軍。空客正在使用其專為增材制造 A350 XWB 和其他飛機的 3D 打印部件開發(fā)的現(xiàn)代鋁合金。它還在其通信衛(wèi)星中使用了鋁制 3D 打印部件，其中包含 500 多個增材制造部件。

●除了最近與 AML3D 的合作外，波音公司還在其飛機、衛(wèi)星和直升機中使用 3D 打印定制鋁部件。使用在冷卻階段涂有特殊納米粒子的鋁合金進行3D打印，可以制造出在不發(fā)生熱裂的情況下進行焊接的高強度鋁合金。這項突破性技術(shù)會降低車身的重量，讓飛機用更少的燃料飛得更遠。

●直升機制造商萊昂納多與 Aidro 簽訂了鋁制飛行部件的合同，Aidro 是一家通過金屬增材制造制造液壓和流體動力系統(tǒng)的公司。萊昂納多正在尋求 3D 打印鋁的輕量化及其生產(chǎn)更緊湊和復雜飛行部件的能力。

這標志著航空航天業(yè)的一種趨勢，隨著工藝的成熟和新技術(shù)進入市場，從更成熟的特種材料（如鈦）擴展到包括更便宜的粉末替代品（如鋁）。


△Elementum 3D 的 A6061-RAM2 鋁合金用于構(gòu)建此散熱器

有幾種金屬3D打印技術(shù)可用于加工鋁和鋁基合金，包括：
●熔融沉積建模 (FDM)
●激光粉末床熔合 (LPBF)
●電子束熔煉 (EBM)
●粘合劑噴射
●冷聚變
●電弧增材制造 (WAAM)

對于 FDM，目前只有兩家公司提供鋁金屬絲（The Virtual Foundry、Zetamix），并且需要后處理步驟才能實現(xiàn)金屬部件的制造。這些最常用于原型金屬零件而不是功能零件。


△3D 打印中鋁粉的激光粉末床融合（來源：Gränges）

激光粉末床融合 (LPBF)是最常見的鋁 3D 打印技術(shù)，但并非每臺采用該技術(shù)的打印機都能處理鋁材料。根據(jù)要加工的鋁基合金的特性，必須優(yōu)化和調(diào)整 LPBF 打印參數(shù)，以控制孔隙率、微觀結(jié)構(gòu)和最終材料特性。這就是為什么市場上材料制造商和打印機制造商之間存在特定關(guān)系的原因。

頂級鋁激光粉末床融合打印機：
●EOS
●Concept Laser
●Velo3D
●SLM Solutions
●3D Systems
●Trumpf
●OneClickMetal

電子束熔化是與 LPBF 類似的過程，但使用電子束而不是激光。電子束的高工藝溫度導致單層冷卻較慢，因此與 LPBF 相比，微觀結(jié)構(gòu)較粗糙。純鋁與 EBM 不兼容，但鈦鋁合金可以。

頂級鋁合金 EBM 3D 打印機：
●QBEAM Aero350

冷噴涂和WAAM用于快速創(chuàng)建最終形狀的大型鋁制零件，然后將其加工成更精細的公差，這種方法比鑄造重工業(yè)中使用的單個獨特零件要經(jīng)濟得多。

頂級鋁冷噴涂 3D 打印機：
●Spee3D
●Impact Innovations

頂級鋁WAAM 3D打印機：
●ALM3D
●MX3D
●Gefertec
●WAAM3D


3D 機器制造商 Grob 提供了一種擠壓熔融鋁的專業(yè)技術(shù)。這是一種無粉制造工藝，公司稱之為液態(tài)金屬打印。GROB 的GMP300可生產(chǎn)近凈形部件，加工成更嚴格的公差。施樂在其ElemX 3D 打印機上提供了類似的技術(shù)，該打印機目前安裝在部分美國軍事設施中，但在 2022 年宣布不會將該技術(shù)商業(yè)化。


△Desktop Metal 在其 X 系列和 Production System 打印機上提供 6061 鋁打印功能（來源：Desktop Metal）

鋁粘合劑噴射是快速打印中到大批量的技術(shù)選擇，但該技術(shù)需要后處理。

頂級鋁粘合劑噴射 3D 打印機：
●Desktop Metal


鋁材料



△增材制造用鋁粉（來源：GE）

研究人員對增材制造鋁合金材料方面進行了大量的研發(fā)工作。在 AM 的早期，工程師在使用鋁材時遇到了挑戰(zhàn)，但現(xiàn)在這種挑戰(zhàn)已經(jīng)攻克。新型高性能鋁和合金專為 3D 打印工藝打造，這些材料經(jīng)過特別調(diào)整，可利用激光和電子束增材制造的獨特熔化工藝。一些新的初創(chuàng)企業(yè)已經(jīng)采用專有的霧化技術(shù)來生產(chǎn)專門用于 3D 打印的高性能鋁合金粉末�！翱纱蛴　苯饘俨牧系那鍐卧谶^去三年中翻了一番，極大地擴展了用戶可以利用增材制造的可能應用的數(shù)量。


△Aconity3D 使用 Equispheres AlSi10Mg 鋁粉打印的部件（來源：Aconity3D）

3D打印專用鋁材
●UniFuse AlSi10Mg由 Uniformity Labs 于 2023 年 2 月推出，是一種用于激光粉末床熔合 3D 打印的鋁粉，層厚為 50 至 90 微米。目前在產(chǎn)品品牌 UniFuse 和 UniJet（用于粘合劑噴射的版本）下生產(chǎn)，Uniformity Labs 表示粉末將在規(guī)模上反復改進。

●NExP-1由材料公司 Equispheres 于 2022 年底推出，是一種用于增材制造的不易爆鋁合金原料，可減少與 3D 打印材料日常處理相關(guān)的危害。Equispheres 還表示，其專為增材制造設計的 Performance AlSi10Mg 粉末在 Aconity3D 激光粉末床融合 3D 打印機上打印復雜設備組件時，能夠?qū)⒋蛴�時間縮短 60% 以上。

●由增材制造公司 APWorks 專門為 3D 打印開發(fā)的Scalmalloy是強度最高的增材制造可加工鋁合金。它在航空航天和賽車運動中用于代替高強度 7000 系列鋁。

●A20X鋁粉是由 Aluminum Materials Technologies（現(xiàn)隸屬于 Eckart Group）專門為增材制造開發(fā)的。該公司表示，這種專為航空航天應用設計的特殊合金可以生產(chǎn)比傳統(tǒng)鋁材輕得多的部件。

●Elementum 3D提供氣霧化鋁合金增材制造原料粉末，包括傳統(tǒng)鋁合金的增強版本和采用公司專有的反應增材制造 (RAM) 工藝實現(xiàn)的高級彌散強化鋁粉。RAM 工藝使以前不可焊接且因此無法打印的鋁合金可用作金屬 3D 打印的原料粉末。

●EOS 鋁 Al2139 AM是打印機和材料制造商 EOS 專為增材制造設計的專有鋁合金，可在高達 200ºC 的高溫下提供性能。該合金于 2021 年推出，旨在讓 EOS 客戶有機會在不影響強度（熱處理時抗拉強度約為 500 MPa）的情況下顯著減輕制造零件的重量。

●Aheadd是材料公司 Constellium 的兩種鋁粉的集合，針對激光粉末床熔合工藝進行了優(yōu)化。Aheadd CP1 具有許多優(yōu)點，包括接近純鋁的導熱性和導電性、高延展性和出色的表面處理特性。由于其非常高的打印速度和簡化的后處理，這種合金也是其他 AM 應用的經(jīng)濟高效的替代品，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是瑞典公司 Granges Powder Metallurgy 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)。目前僅作為服務提供。

●來自 Kymera的CustAlloy專為激光粉末床熔合而設計，在汽車應用中特別有益，因為它不像傳統(tǒng)鋁那樣容易破裂或開裂，從而使碰撞相關(guān)應用成為可能。這種獲得專利的 Al-Si-Mg 基合金可進行熱處理，以提供高強度或出色的延展性，具體取決于最終應用。


△3D 打印的鋁材可以進行后處理和精加工。這些 3D 打印小雕像由總部位于美國的 Mass Finishing, Inc. 的 Cole Mathisen 完成（來源：Cole Mathisen）

鋁合金
目前用于 3D 打印的許多鋁合金都是簡單的鑄造合金，例如 AlSi10Mg。這些鋁合金不是特別堅固，也不能承受高溫。盡管如此，它們的機械性能仍適用于廣泛的應用，并且該材料是“可焊接的”，因此可用于 3D 打印而不會開裂。市場中有很多不同類型的鋁合金，以下是增材制造中使用的一些更常見的鋁合金：

●AlSi10Mg是最常見的鋁合金，具有堅固的強度、硬度和動態(tài)性能。其重量輕還支持良好的熱性能，并具有強大的可構(gòu)建性，可用于具有挑戰(zhàn)性的幾何形狀。用途包括外殼、管道系統(tǒng)、發(fā)動機零件和生產(chǎn)工具。

●AlSi7Mg0 結(jié)合了鋁、硅和少量鎂，打造出高度耐用且重量輕的合金，適用于精細物體和復雜幾何形狀。它用于需要強度/質(zhì)量比以及良好熱性能的應用。

●Al 6061 和Al 7075。3D 制造商開始在使用 6061 和 7075 進行打印方面取得成功，此前人們認為這兩種材料不利于增材制造工藝。合并納米粒子正在取得進展。

●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之一。它們具有延展性，具有高導熱性、導電性和耐腐蝕性。6061 是一種沉淀硬化鋁合金，含有鎂和硅。

●7000 系列合金粉末具有高鋅含量，以優(yōu)異的機械性能和更高的強度而著稱，并且可以進行熱處理。7075 最常用于高應力結(jié)構(gòu)部件，例如飛機部件，比許多標準結(jié)構(gòu)鋼更堅固。


△Sculpteo的鋁制零件（來源：Sculpteo）