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3D打印铝材–终极指南

魔猴君  知识堂   237天前

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从汽车备件到卫星天线,3D打印铝制部件的应用范围正在不断扩大,这是因为采用了专为增材制造开发的新型铝材料,而且3D打印机经过更精细的调整,可以优化这些新型铝合金。与传统制造的铝材相比,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实现的复杂几何形状。

Scalmalloy为例。这种由钪、铝和镁制成的高性能合金是APWorks公司专为增材制造而开发的,据说比钛还要坚固。最近,在瑞士举行的2022小时记录比赛中,菲利波-甘纳(Filippo Ganna)以56.8 k/h的速度打破了记录,并将其作为3D打印自行车车架进行了测试。这辆"世界上最快的自行车"是在大型EOS M400机器上3D打印出来的。

Pinarello Bolide F HR 3D场地自行车车架由英国Metron Additive Engineering在EOS M400上采用Scalmalloy 3D打印而成(来源:Metron Additive Engineering)

一、3D打印铝的优点


3D打印零件展示了该技术在一个单元中打印内部特征和复杂组件的能力。

采用Scalmalloy打印,这是贺利氏专门为增材制造开发的铝合金(来源:Hereaus)

铝合金具有良好的耐化学性,重量轻,是强度重量比最好的金属之一。铝合金与硅和镁结合在一起,能够承受严酷的条件,因此成为航空航天和汽车行业的首选。

使用铝或其他金属进行3D打印的最大优势之一是,您可以创建具有其他方式无法制造的内部通道和特征的零件。您可以将多部件组件打印成一个整体,从而大大缩短制造和装配时间,并开发出更高效的整体部件。

3D打印也不会产生大量废料。相比之下,数控加工属于减法加工。当你使用昂贵的原材料时,任何能减少浪费的方法都是一大优势。这一点对于航空航天业来说尤为重要,因为该行业一直在努力提高"采购-飞行"比率,即采购原材料的重量与最终零件的重量之比。

 

保时捷为电动汽车开发了3D打印铝制外壳(来源:保时捷)

铝的铸造或机加工通常生产成本较高,而且在制造过程中耗能较多。此外,还需要支付额外的工具或模具费用。相比之下,AM生产使用的铝材可以加工出任何其他制造方法都无法实现的高精度复杂几何形状。

设计工作通过软件完成,无需创建物理工具或模具即可完成制造。快速成型制造商可以快速、经济地生产小批量和定制零件,而且新兴技术将继续使更大规模的生产和更低的运营成本成为现实。

增材制造通常用于定制或小批量生产,因为使用粉末床技术对零件进行分层需要时间,然而正如莱昂纳多和波音公司所展示的那样,粘合剂喷射打印、直接能量沉积和其他方法有望改变这种状况。

二、3D打印铝的应用


铝制印刷的梅赛德斯-奔驰备件(来源:梅赛德斯-奔驰)

1、汽车


保时捷911的3D打印铝活塞(来源:保时捷)

保时捷为其911旗舰车型GT2 RS的高性能铝活塞进行了3D打印,从而使700马力的双涡轮增压发动机的功率提高了30马力,同时还提高了效率。通过3D打印技术,活塞的制造结构经过优化,能够承受活塞上的载荷。因此,先进开发项目中的铝制活塞比锻造系列生产活塞的重量减轻了10%。此外,活塞冠部还集成了封闭式冷却管道,这是传统方法无法制造的。

"保时捷高级驱动开发部的弗兰克-艾金格(Frank Ickinger)解释说:"由于采用了更轻的新型活塞,我们可以提高发动机转速、降低活塞上的温度负荷并优化燃烧。

2020年,保时捷还首次使用3D打印铝材生产了用于电动驱动的完整外壳。该公司表示,使用增材激光熔融工艺生产的发动机齿轮箱单元顺利通过了所有质量和压力测试。

梅赛德斯-奔驰正在为其卡车和轿车系列印制铝制替换零件,并对其进行改进。其中一个例子是300 SL轿跑车的内后视镜底座,该替换零件经过重新设计,在道路安全方面实现了功能性改变,优化了后方视野。

3D铝材打印在售后市场零件方面也越来越受欢迎。在无法获得原装配件的情况下,世界各地的汽车修理厂都在使用3D打印铝材。

2、航天

尽管重量更轻的钛通常是航空航天的首选金属,但铝在许多应用中仍然是主力军。空中客车公司(Airbus)在其A350 XWB和其他飞机的3D打印部件中使用了专门为增材制造开发的现代铝合金。此外,空客还在其通信卫星中使用铝制3D打印部件,其中有500多个增材制造部件。

除了最近与AML3D的合作之外,波音公司还在其飞机、卫星和直升机中使用3D打印的定制铝零件。在冷却阶段使用涂有特选纳米颗粒的铝合金进行3D打印,可制造出高强度铝合金,焊接时不会产生热裂纹。这项突破性技术可能会使飞机的框架更轻,并让飞机以更少的燃料飞得更远。

直升机制造商莱昂纳多(Leonardo)与通过金属增材制造技术制造液压和流体动力系统的Aidro公司签订了铝制飞行部件合同。莱昂纳多公司希望利用3D打印铝材实现轻量化,并能生产出更紧凑、更复杂的飞行部件。

这标志着航空航天业的发展趋势,即随着工艺的成熟和新技术进入市场,从钛等更成熟的特种材料扩展到铝等更便宜的粉末替代材料。

三、如何3D打印铝


Elementum 3D的A6061-RAM2铝合金用于构建该散热器(来源:Elementum 3D)

几乎所有的金属3D打印技术都能加工铝,它们之间的区别在于速度、尺寸、细节程度以及原料的类型和成本。

熔融沉积建模(FDM)

激光粉末床熔融(LPBF)

电子束熔化(EBM)

粘合剂喷射

冷熔

线弧增材制造(WAAM)

对于FDM,目前只有两家公司提供铝金属丝(The Virtual Foundry和Zetamix)。这种方法需要后处理步骤,才能获得90%以上的金属零件。这是获得铝制零件最便宜的方法,因为铝丝可用于大多数台式FDM打印机,但这种方法最常用于装饰和原型金属零件,而非功能性零件。

四、了解铝材料


AM用铝粉(来源:GE)

最近,用于增材制造的铝合金的研发工作相当活跃。在早期的增材制造过程中,工程师们在使用铝材时遇到了很多挑战,但现在情况已经发生了变化。新型高性能铝和合金是专为3D打印工艺而设计的,具有当今制造商所需的传统特性。这些材料特别适合利用激光和电子束增材制造的独特熔化工艺。

一些新成立的公司采用专有的雾化技术生产高性能铝合金粉末,专门用于3D打印。在过去三年中,"可打印"金属材料的数量翻了一番,极大地扩展了用户可以利用增材制造技术的应用领域。

Aconity3D使用Equispheres AlSi10Mg铝粉打印的零件(来源:Aconity3D)

用于3D打印的特殊铝材

UniFuse AlSi10MgUniformity Labs于2023年2月推出,是一种用于激光粉末床熔融3D打印的铝粉末,层厚为50至90微米。Uniformity Labs目前正在以UniFuse和UniJet(粘合剂喷射版本)品牌进行生产,表示粉末将在规模上不断改进。

NExP-1是由材料公司Equispheres于2022年底推出的,是一种用于增材制造的防爆铝合金原料,可减少3D打印材料日常处理相关的危险。Equispheres还表示,其专为增材制造而设计的Performance AlSi10Mg粉末在Aconity3D激光粉末床熔融3D打印机上打印复杂的设备组件时,能够将打印时间缩短60%以上。

Scalmalloy是增材制造公司APWorks专门为3D打印而开发的,是强度最高的增材制造可加工铝合金。它用于航空航天和赛车运动,替代高强度7000系列铝。

A20X铝粉是由Aluminium Materials Technologies(现隶属于Eckart Group)专门开发用于增材制造。该公司表示,这种专为航空航天应用设计的特殊合金可以生产比传统铝轻得多的部件。

Elementum 3D提供气雾化铝合金增材制造原料粉末,包括传统铝合金的增强版本和由该公司专有的反应增材制造(RAM)工艺实现的先进分散强化铝粉末。RAM工艺使以前不可焊接、因此不可打印的铝合金可作为原料粉末用于金属3D打印。

EOS Aluminium Al2139 AM是打印机和材料制造商EOS的专有铝合金,专为增材制造而设计,可在高达200°C的高温下提供性能。该合金于2021年推出,旨在让EOS客户有机会在不影响强度的情况下显着减轻制造零件的重量(热处理时的拉伸强度约为500 MPa)。

Aheadd是来自材料公司Constellium的两种铝粉末的集合,针对激光粉末床熔融工艺进行了优化。Aheadd CP1具有许多优点,包括接近纯铝的导热性和导电性、高延展性和出色的表面处理特性。由于其极高的打印速度和简化的后处理,该合金也是其他增材制造应用的经济高效的替代品,这使得Aheadd CP1成为快速原型制作和批量生产的首选解决方案。

S220 AM是瑞典Granges粉末冶金公司于2022年推出的一种用于激光粉末床熔合的新型铝合金。S220铝合金具有高硅含量、低密度和低热膨胀系数。目前仅作为服务提供。

KymeraECKA颗粒的CustAlloy铝材专为激光粉末床熔合而设计,在汽车应用中特别有益,因为它不像传统铝材那样快速破裂或破裂,从而使碰撞相关应用成为可能。这种获得专利的Al-Si-Mg基合金可进行热处理,以提供高强度或卓越的延展性,具体取决于最终应用。

3D打印铝可以进行后处理和精加工。这些3D打印雕像由美国Mass Finishing,Inc.的Cole Mathisen完成(来源:Cole Mathisen)

标准3D打印铝材

目前许多用于3D打印的铝合金都是简单的铸造合金,如AlSi10Mg。这些铝合金强度不高,也不能承受高温。尽管如此,它们的机械性能仍然适用于多种应用,而且这种材料是"可焊接"的,因此可用于3D打印而不会开裂。这些材料的特性可能是某些公司在金属3D打印中的全部要求,但其他公司,尤其是航空航天和先进制造业,则需要更多。

虽然市场上有几种不同类型的铝合金,但以下是一些在AM中较常用的铝合金。

AISi10Mg是最常见的铝合金,具有坚固的强度、硬度和动态特性。其重量轻,热性能好,可塑性强,可用于具有挑战性的几何形状。其用途包括外壳、管道系统、发动机零件和生产工具。

AlSi7Mg0将铝、硅和少量镁结合在一起,形成了一种高度耐用的轻质材料,适用于精细物体和复杂几何形状。它适用于需要强度/质量比以及良好热性能的应用。

6061和铝70753D制造商开始在使用6061和7075打印方面取得成功,以前认为这两种材料不利于AM工艺。纳米粒子的融合正在取得进展。

6000系列合金的特性使其成为最受欢迎的传统电气或电子零件制造材料之一。它们具有韧性、高导热性、导电性和耐腐蚀性。6061是一种沉淀硬化铝,含有镁和硅。

7000系列合金粉含锌量高,具有出色的机械性能,强度更高,可进行热处理。7075最常用于高应力结构零件,如飞机零件,其强度高于许多标准结构钢。



编译整理:ALL3DP

   

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