鋁材料的增材制造

金屬增材制造可以生產(chǎn)多種金屬，但鋁增材制造用于開(kāi)發(fā)專門(mén)用于航空航天和汽車(chē)工業(yè)的零件。本文探討了生產(chǎn)方法、優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用。

△圖片來(lái)源：MarinaGrigorivna/Shutterstock.com

3D打�。ㄒ卜Q為增材制造）使用逐層材料構(gòu)建方法從數(shù)字模型生產(chǎn)零件。3D打印廣泛用于生產(chǎn)聚合物、金屬、混凝土和水凝膠。

特別是，金屬增材制造因其優(yōu)于鑄造、成型和機(jī)加工等傳統(tǒng)制造方法的優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注。

由于部件設(shè)計(jì)自由、部件復(fù)雜性、輕量化、部件整合和功能設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，金屬增材制造被用于航空航天、石油和天然氣、海洋和汽車(chē)行業(yè)。此外，增材制造是一種無(wú)需工具的制造技術(shù)，可以在更短的時(shí)間內(nèi)以高精度生產(chǎn)完全致密的金屬物體。

3D打印鋁中使用的方法

激光粉末床融合 (LPBF) 是一種用于 3D 打印鋁的方法，具有更高的表面光潔度和高精度。這個(gè)過(guò)程是通過(guò)使用強(qiáng)大的激光局部熔化材料開(kāi)始的，然后形成一層連續(xù)的固化金屬。在該技術(shù)中，材料和零件支撐同時(shí)生成，并且基于鋁基合金的特性，可以修改工藝參數(shù)以調(diào)整孔隙率、微觀結(jié)構(gòu)和最終材料特性。

電子束粉末床熔融是一種類(lèi)似于LPBF的方法，其中使用電子束來(lái)固化金屬粉末。由于電子束的高加工溫度，3D 打印零件的單層逐漸冷卻，導(dǎo)致與 LPBF 相比更粗糙的微觀結(jié)構(gòu)。

AlSi10Mg是3D打印鋁工業(yè)應(yīng)用中常用的鋁合金。它的優(yōu)點(diǎn)是高強(qiáng)度、韌性、動(dòng)態(tài)質(zhì)量、改進(jìn)的熱特性和可建造性。

AlSi7Mg是另一種典型的鑄造鋁合金，有密度小、比強(qiáng)度高、延展性好，且具有優(yōu)良的鑄造性能和耐蝕性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、國(guó)防、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)引擎鑄件的結(jié)構(gòu)部件。3D打印的AlSi7Mg的主要優(yōu)點(diǎn)是其重量輕、耐腐蝕和高動(dòng)態(tài)承載能力。

此外，某些研究已經(jīng)證明了 Al6061和Al7075的成功打印，而以前它們被認(rèn)為與金屬增材制造方法不兼容。

△Velo 3D

3D打印鋁的最新研究

在最近發(fā)表在《陶瓷》雜志上的一項(xiàng)研究中，國(guó)內(nèi)的研究人員使用直接墨水書(shū)寫(xiě)方法打印了磷酸鋁結(jié)合的Al2O3陶瓷。他們的主要發(fā)現(xiàn)是，由于添加了無(wú)機(jī)粘合劑，Al2O3陶瓷表現(xiàn)出超低的尺寸收縮。

最近的研究探索了用于航空航天工業(yè)的3D打印鋁復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)。復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)的 3D 打印可以提高航空航天工業(yè)的可持續(xù)性和制造靈活性。

將納米材料添加到鋁中也是金屬 3D 打印的最新研究課題。納米材料改善了3D打印鋁的機(jī)械和熱性能，并且在3D打印過(guò)程中納米顆粒的融合改善了3D打印鋁的性能。

鋁3D打印的優(yōu)勢(shì)

鋁3D打印的優(yōu)勢(shì)在于可以通過(guò)改變微觀結(jié)構(gòu)和內(nèi)部受力分布來(lái)改變鋁的機(jī)械性能。與傳統(tǒng)方法相比，對(duì)鋁 3D 打印的研究也證明了材料節(jié)省。與傳統(tǒng)方法相比，使用金屬增材制造的高科技行業(yè)已經(jīng)證明了復(fù)雜部件的制造速度更快、材料強(qiáng)度更高以及延展性優(yōu)勢(shì)。

鋁增材制造還能夠生產(chǎn)高度優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，否則這些結(jié)構(gòu)成本昂貴、耗時(shí)，甚至無(wú)法使用傳統(tǒng)制造方法制造。此外，3D 打印的鋁制部件可以與其他部件一起使用，以創(chuàng)建混合結(jié)構(gòu)。

使用鋁3D打印，還可以制造具有能量吸收特性和內(nèi)部增強(qiáng)特性的結(jié)構(gòu)部分。此外，在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中產(chǎn)生的不希望的殘余應(yīng)力可以轉(zhuǎn)化為有利的預(yù)應(yīng)力。

△北京寶航新材料鋁合金制件

鋁3D打印的挑戰(zhàn)和未來(lái)范圍

用于多種工業(yè)應(yīng)用的鋁3D打印仍然存在重大挑戰(zhàn)。在某些情況下，鋁的 3D 打印比傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法更昂貴。在金屬3D打印中，必須修改現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法以適應(yīng)材料特性和可變幾何形狀的變化。

金屬增材制造技術(shù)需要更加標(biāo)準(zhǔn)化，并且需要實(shí)施新的質(zhì)量保證程序，以確保制造的零件在其生命周期內(nèi)是可靠的。只要解決了這些技術(shù)和工業(yè)挑戰(zhàn)，鋁 3D 打印在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用潛力巨大。