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美國奧本大學(xué)深入研究構(gòu)建方向?qū)?D打印鋁件結(jié)構(gòu)完整性的影響

3D打印前沿
2021
09/21
20:00
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本帖最后由 warrior熊 于 2021-9-21 20:02 編輯

導(dǎo)讀:在眾多金屬粉末材料的3D打印中,鋁合金粉末似乎是一個特別的存在。這與鋁合金粉末具本身的理化性能有很大關(guān)系,微細鋁合金粉末可燃、易氧化、吸潮的屬性給它的生產(chǎn)、存儲和運輸都帶來了巨大的麻煩。此外,鋁合金粉較差的流動性和很高的激光反射率同樣給它的打印過程帶來了很大挑戰(zhàn)。

但是,鋁合金又因其輕質(zhì)、高強、高導(dǎo)熱、耐腐蝕、導(dǎo)電等諸多優(yōu)良特性在航空航天、國防軍工、汽車、電子、建筑等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。因此為了推進鋁合金在金屬打印領(lǐng)域的進一步應(yīng)用,世界各國的科學(xué)家都在對鋁合金的金屬3D打印方面進行著探索。

2021年9月21日,南極熊獲悉,由奧本大學(xué)和EOS北美公司的工程師組成的研究小組深入研究了構(gòu)建方向?qū)?D打印鋁(Al)合金結(jié)構(gòu)完整性的影響。

該團隊對5種最流行的鋁合金粉末進行了測試,包括AlSi10Mg、Scalmalloy、QuesTekAl、Addalloy® 5T(AD1)和AlF357。他們通過采用粉末床熔融3D打印技術(shù),研究了構(gòu)建方向如何改變諸如零件微觀結(jié)構(gòu)、材料孔隙率和疲勞行為等特性,這些特性對于了解材料是否適合高壓工業(yè)應(yīng)用是不可或缺的。

研究論文解釋說:"使用鋁合金進行增材制造最近獲得了極大的關(guān)注,特別是在航空航天業(yè)。這促進了新型高強度鋁合金的引入,使增材制造工藝變得更加兼容。然而,在將這些新開發(fā)的鋁合金部署到安全關(guān)鍵的承重應(yīng)用中之前,調(diào)查其結(jié)構(gòu)完整性是至關(guān)重要的"。


△5種不同鋁粉的SEM圖像。圖片來自奧本大學(xué)

鋁材料在增材制造中的崛起

隨著金屬3D打印迅速成為汽車、國防和醫(yī)療等行業(yè)的戰(zhàn)略工具,新的材料創(chuàng)新也在不斷出現(xiàn)。特別是鋁合金,以其高強度重量比、淬透性和出色的耐腐蝕性而聞名,使其成為航空航天和賽車領(lǐng)域各種應(yīng)用的首要選擇。

然而,據(jù)奧本大學(xué)的研究人員稱,3D打印鋁合金往往比其他材料更具挑戰(zhàn)性。粉末顆粒很輕,表現(xiàn)出較差的流動性,吸引水分,具有較高的導(dǎo)熱性,并且極易被氧化。這一連串的問題增加了3D打印的鋁零件的缺陷風(fēng)險,眾所周知,這對任何材料的機械性能(尤其是疲勞性能)都是有害的。

有趣的是,零件的構(gòu)建方向也被證明是產(chǎn)生缺陷的類型、大小和頻率的一個主要因素。這被歸因于不同方向的部件所經(jīng)歷的熱歷史的變化,因此有必要評估構(gòu)建方向如何影響3D打印鋁部件的疲勞行為。

用Scalmalloy制造的空氣動力運動小翼。照片來自APWORKS

構(gòu)建方向?qū)Y(jié)構(gòu)完整性的影響

這項研究涉及在垂直和水平方向上3D打印AlSi10Mg、Scalmalloy、QuesTek Al、AD1和AlF357樣品。

首先,建造方向?qū)︿X零件的晶粒結(jié)構(gòu)沒有明顯影響。然而,當涉及到缺陷時,水平試樣的體積缺陷水平比其垂直方向的試樣高得多。Scalmalloy和AD1在垂直和水平建造之間表現(xiàn)出最低的缺陷密度變化,這是因為這兩種合金的熱導(dǎo)率相對較低。

將這些合金相互比較,AD1的疲勞性能優(yōu)于AlSi10Mg、QuesTek Al和AlF357,而不考慮建造方向。這是由于AD1的低缺陷密度、高抗拉強度和高伸長率的結(jié)果。雖然水平的Scalmalloy部件的疲勞性能比水平的AD1部件稍弱,但這兩種合金的垂直試樣的疲勞壽命是相當?shù)摹?/div>
最終該研究的結(jié)論是:"盡管研究結(jié)果沒有提供整體的疲勞性能,但對于這五種當今流行的LB-PBF鋁合金,我們可以依據(jù)在不同方向上構(gòu)建的數(shù)據(jù)和獲取的結(jié)果來幫助AM用戶為其應(yīng)用選擇合適的鋁合金。盡管如此,在將每種合金用于具體應(yīng)用之前,AM用戶可能需要為其生成更多的試驗數(shù)據(jù)"。


在5種合金中,水平構(gòu)建的孔隙率明顯高于垂直構(gòu)建的孔隙率。圖片來自奧本大學(xué)

該研究的進一步細節(jié)可以在題為 "Structural integrityof additively manufactured aluminum alloys: Effects of build orientation on microstructure,porosity, and fatigue behavior"。它是由P.D. Nezhadfar,Spencer Thompson等人共同撰寫的。


此外,在今夏早些時候,意大利3D打印服務(wù)提供商BEAMIT開發(fā)了一套用于3D打印高性能Al2024鋁合金的參數(shù)統(tǒng)計。他們認為,鋁材料在室溫和高溫下都比其他同類合金表現(xiàn)得更好,是生產(chǎn)耐用底盤、懸架和發(fā)動機等賽車應(yīng)用部件的理想材料。

最近,英國的數(shù)字制造中心(DMC)剛剛成為Scalmalloy制作3D打印部件的認證供應(yīng)商。作為供應(yīng)商認證要求的一部分,DMC 3D打印了一套Scalmalloy部件,然后由該材料的開發(fā)商APWORKS進行檢查。測試結(jié)果表明:所達到的零件質(zhì)量使DMC在全球Scalmalloy零件供應(yīng)商中排名前1%。


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