3D打印鋁材–終極指南

魔猴君  知識(shí)堂   397天前

從汽車備件到衛(wèi)星天線，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樵霾闹圃扉_發(fā)的新型鋁材料，而且3D打印機(jī)經(jīng)過更精細(xì)的調(diào)整，可以優(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。

以Scalmalloy為例。這種由鈧、鋁和鎂制成的高性能合金是APWorks公司專為增材制造而開發(fā)的，據(jù)說比鈦還要堅(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打印自行車車架進(jìn)行了測(cè)試。這輛"世界上最快的自行車"是在大型EOS M400機(jī)器上3D打印出來(lái)的。

Pinarello Bolide F HR 3D場(chǎng)地自行車車架由英國(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，這是賀利氏專門為增材制造開發(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，能夠承受嚴(yán)酷的條件，因此成為航空航天和汽車行業(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)汽車開發(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

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3D打印技術(shù)，活塞的制造結(jié)構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化，能夠承受活塞上的載荷。因此，先進(jìn)開發(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)開發(fā)部的弗蘭克-艾金格（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(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了所有質(zhì)量和壓力測(cè)試。

梅賽德斯-奔馳正在為其卡車和轎車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轎跑車的內(nèi)后視鏡底座，該替換零件經(jīng)過重新設(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，世界各地的汽車修理廠都在使用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?？罩锌蛙嚬荆?/span>Airbus）在其A350 XWB和其他飛機(jī)的3D打印部件中使用了專門為增材制造開發(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有的霧化技術(shù)生產(chǎn)高性能鋁合金粉末，專門用于3D打印。在過去三年中，"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 AlSi10Mg由Uniformity 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專門為3D打印而開發(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）專門開發(fā)用于增材制造。該公司表示，這種專為航空航天應(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的專有鋁合金，專為增材制造而設(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。

Kymera的ECKA顆粒的CustAlloy鋁材專為激光粉末床熔合而設(shè)計(jì)，在汽車應(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。

鋁6061和鋁7075。3D制造商開始在使用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