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。

能夠應用于金屬零件直接成型加工的3D打印技術有SLS（選擇性激光燒結），SLM（選擇性激光熔化），EBM（電子束熔煉），LENS（激光近凈成型技術）等。相比高分子材料、光敏樹脂材料和無機非金屬材料的3D打印技術，金屬3D打印的設備價格和運行成本較高，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%(質量)，僅次于氧和硅，是地殼中含量最豐富的自然元素。據(jù)報道，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，其中最常見的是鋁硅酸鹽類。鋁合金是以鋁為基礎，加入一種或幾種其他元素（如銅、鎂、硅、錳、鋅等）構成的合金，從而提高了強度。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法制取的。1825年丹麥化學家H. C. Orsted和1827年德國化學家F. Wohler分別用鉀汞齊和鉀還原無水氯化鋁，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，因而能夠初步測定鋁的密度，并認識到鋁的熔點不高，并具有延展性。電解法煉鋁起源于1854年，德國化學家R. W. Bunsen和法國化學家S. C. Deville分別點解氯化鈉-氯化鋁絡鹽，得到金屬鋁。1854年S. G. Devile在法國巴黎附近建立了一座小型煉鋁廠。1865年俄國化學家H. H. BeKeTOB提議用鎂來置換冰晶石中的鋁，這一方案被德國Gmelingen工廠采用。由于電解法興起，化學法便漸漸被淘汰。在整個化學法煉鋁階段中（1854-1895年），大約總共生產了200噸鋁。1883年美國人S.Bradley申請了電解熔融冰晶石的專利。

H. C. Orsted

國內方面，中國的煉鋁試驗工作起始自1934年天津的黃�；瘜W工業(yè)社，用800A預焙陽極電解槽煉出金屬鋁。新中國成立后，中國鋁工業(yè)得到迅速發(fā)展。

金屬鋁

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

（1）   鑄造在鑄注過程中會伴隨很多缺陷的形成，如錯邊、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，通常會造成鋁合金晶粒異常長大，合金元素的偏析，嚴重影響鋁合金的力學性能。此外，鑄造鋁合金在應用過程中的焊接性較差，容易產生塌陷、熱裂紋、氣孔、燒穿等缺陷，同時還會發(fā)生鋁的氧化、合金元素的燒損蒸發(fā)等導致焊縫性能降低，目前鋁合金的連接問題也是制約其應用的瓶頸。

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

而3D打印技術可以針對性地解決上述鑄造工藝中暴露出的一些缺陷，滿足鑄造過程中加工困難或無法加工的特殊零部件的成型加工需求。隨著工業(yè)化進程的加快，人們對鋁合金零部件的結構和鑄件性能的要求也日益提高，現(xiàn)在鋁合金結構件的發(fā)展趨勢是復雜形狀結構件的整體成型及工藝流程的智能化。形狀復雜，尺寸精密，小型薄壁，整體無余量零部件的快速生產制造是將來一段時期鋁合金零部件加工的發(fā)展方向。

優(yōu)勢&技術限制

鋁應用在3D打印中的優(yōu)勢：

1.  熔點低。鋁的熔點低，因此其3D打印激光燒結溫度遠低于其他金屬材料。

2.  密度小。鋁可用來制造輕結構，有“會飛金屬”之稱。因此在打印物件時所需的支撐要求低于其他金屬材料。

3.  可強化。純鋁強度不高，可通過添加各種元素變成鋁合金，使其強度提高。

4.  塑性好，易加工。鋁可用來拉成管材和細絲，擠成各種型材。現(xiàn)在也有使用鋁材料進行FDM打印的研究報道。

鋁應用在3D打印中的缺陷：

1.  化學活性高。鋁被制成粉末后，表面積增加，其化學活性進一步上升，容易燃燒，加工安全性較低。

2.  強度低，機械性能不佳。

3.  鋁表面上極易生成致密而牢固的氧化鋁薄膜，導致燒結困難。

鋁合金材料能夠在一定程度上克服上述缺點。鋁合金材料具有密度輕、彈性好、比剛度和比強度高、耐磨耐腐蝕性好、抗沖擊性好、導電導熱性好、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。鋁合金材料被應用于諸多領域：因其具有良好的導電性能，可代替銅作為導電材料；鋁具有良好的導熱性能，是制造機器活塞、熱交換器、飯鍋和電熨斗等的理想材料；鋁合金也被應用于建筑行業(yè)，如鋁門窗、結構件、裝飾板、鋁幕墻等；航空航天、造船、石油及國防軍工部門更需要高精尖鋁合金材料。一家超音速飛機約由70%的鋁及其合金構成。船舶建造中，一艘大型客船的用鋁量常達幾千噸。

2015年，空客防務和航天公司在英國宣稱，他們已經(jīng)使用鋁生產了第一個航天質量的3D打印部件。該部件是英國國家空間技術計劃下面一個兩年期的研究和開發(fā)項目的成果。英國國家空間技術計劃是由Innovate UK和英國航天局共同發(fā)起的。

鋁制3D打印部件三維建模

研發(fā)團隊說，這些新的3D打印部件無法使用常規(guī)的制造方法完成。它們包括使用航空級鋁合金建造的結構支架。這種3D打印的航天級支架，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%。 它取代了四個獨立部件的功能，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%，而且制造過程中不像傳統(tǒng)技術那樣產生大量的材料浪費。

英國國家空間技術計劃研發(fā)的航空航天零部件

對于工業(yè)級3d打印機而言，3d打印材料的堅韌性是決定其應用廣泛與否的一個重要方面。美國普渡大學（Purdue University）研究助理兼實驗室技術員Dahlon P Lyles為了進行關于晶格結構的概念驗證，用鋁合金3D打印了一個晶格結構的立方體。為了測試這個鋁合金晶格的強度，Lyles和他的團隊對3.9克的3D打印立方體進行了擠壓試驗。最終結果表明，晶格最大能夠承受的重量達到幾乎900磅（408千克）。也就是說，這個小小的立方體結構能夠承受其自身104615倍的重量。

Lyles表示，由于重量輕、堅硬度好，晶格結構未來不僅僅能在醫(yī)學領域得到應用而且在建筑、工程都具有較好的應用前景。

鋁制的晶格結構（圖片來源：3D科學谷）

瑞典Lund大學的OlafDiegel教授利用EOS公司的金屬3D打印機制成的鋁制吉他

澳大利亞的3D打印無人機團隊FusionImaging開發(fā)出鋁制無人機，時速達到141公里/小時

3D打印的鋁制藝術品

利用SLS（選擇性激光燒結）打印的鋁制工業(yè)品

利用金屬鋁打印的工業(yè)制品

3D打印的鋁制開瓶器（圖片來源：Shapeways）

3D打印鋁制馴鹿（伯明翰大學）

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