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一篇让你全面通晓:什么是3D打印铝合金?

国际金属加工网 2023年12月21日

铝是工业生产领域,尤其是增材制造领域最常用的金属之一。它是一种强度高、重量轻的金属合金,具有理想的机械和热性能组合。从事材料开发(尤其是用于增材制造)的公司提供各种用于金属3D打印的铝合金。

为了更好地了解这种金属的特性及其为3D打印部件带来的好处,TCT小编在此篇中带您进行深入探讨。

铝(Al)的原子序数为13,是一种化学元素,在地壳中随处可见。它是一种非铁磁性金属(无法被磁场磁化)。许多可用于增材制造的铝合金由金属和类金属元素的组合组成,包括铝、硅、镁或铜。其中最受欢迎的铝合金包括:

  • AlSi7Mg - 含硅(7%)的铝和镁合金

  • AlSi10Mg - 含硅的铝合金(10%)和镁合金

  • AlSi12 - 含硅的铝合金(12%)

  • AlSi9Cu3 - 含硅合金(9%)和铜(3%)的铝

铝不仅是一种熔点低的轻金属,还是一种非常好的电导体和热导体。铝的工业用途使其在数量和用途方面都成为最重要的材料之一。那么这种金属在增材制造领域是怎么应用的呢?

说到用铝合金制作3D打印部件,有许多不同的方法。金属增材制造技术中最普遍的技术之一便是激光粉末床熔合(LPBF),通过激光将铺在粉末床上的金属层逐点熔化。电子束熔化(EBM)技术也是如此,但不同之处在于其能量来源是电子束而不是激光。

除这两种方法外,还有其他金属制造方法也能使用铝进行打印,如粘合剂喷射、冷金属熔融(CMF)和线弧增材制造(WAAM)。此外,我们还发现FDM技术虽然对铝的应用相对较低,但主要还是使用塑料丝,但一些公司已开发出与这种技术兼容的解决方案,以制造出更耐磨的零件。
与其他金属相比,铝制3D打印部件有许多优点和缺点。其中,铝是一种高性能材料,具有有趣的机械和化学特性。除了可以制造复杂的几何结构外,它还具有很高的强度重量比和耐候性。不过,铝制3D打印部件的刚性不如钢制部件。且与钛不同,铝不是一种生物相容性金属,因此它不是医疗领域使用的理想选择。

无论采用哪种工艺,铝合金3D打印部件都能为众多行业提供有趣的特性。除了具有良好的耐化学性和重量轻之外,铝合金还是所有金属中强度重量比最好的金属之一。随着行业领域的不断深度发展,航天航空汽车制造等多种行业应用对材料性能的需求也迅速提高。

在汽车领域,保时捷为其旗舰车型GT2 RS使用3D打印铝活塞。金属增材制造技术的使用使该公司能够从700马力的双涡轮增压发动机中获得多达30马力的动力,同时提高了汽车的效率和性能。与此同时,梅赛德斯奔驰公司正在为其卡车和汽车生产线打印铝制替换零件,以确保更高的道路安全性。
2021年福特汽车曾宣布,计划每年3D打印20万个铝合金零件。当时,福特正在开发的部件将用于福特汽车“非常受欢迎的车型”的全面生产,将要量产的3D打印零件并没有透露细节,不过可以确定的是将通过粘结剂喷射3D打印技术制造。
福特用于粘结剂喷射和烧结具有挑战性的金属粉末是铝 6061。这一发展是福特工程师和材料科学家与粘结剂喷射技术供应商 ExOne 合作的结果。而成功将铝应用于汽车零件的3D打印生产的意义是重大的:从传统制造工艺到3D打印工艺的转变将通过简化设计来减轻重量、节省空间、提高零件性能以及节省成本和时间。

航空航天业在其业务中采用铝3D打印技术也不甘落后。例如,NASA马歇尔太空飞行中心进行了3D打印喷管的热火测试,该喷管是通过与一家创业企业 Elementum 3D 合作,采用Elementum 3D开发的新型铝合金 6061-RAM2制成,可承受巨大的温度梯度。这种喷管比传统喷管更轻,为可携带更多有效载荷的深空飞行奠定了基础。
据TCT了解到,倍丰科技(2024 TCT展位号:7F50)创始人、澳大利亚工程院吴鑫华院士带领的研究团队成功开发出了牌号为GA570的高温高强的3D打印专用铝合金材料,立刻受到了包括美国通用,波音,雷神,赛峰等多家航空巨头的高度赞赏和重视。GA570材料强度达到目前可用于3D打印的铝合金材料中最高水平,抗拉强度稳定达到570MPa以上,延伸率稳定达到12%以上,制备的航空零部件通过了250℃高温下持续5000小时的稳定试验,相当于发动机常规服役25年的要求。

如今,有许多公司致力于铝粉的开发。包括中体新材(2024 TCT展位号:8E62)和安徽工程大学联手研发低成本高强Al-Ce铝合金系列材料,在提高合金的强度和塑性,进而拓展其在航天领域,汽车等领域应用,为轻量化材料的创新应用提供新的理论基础和实践指导,推进金属3D打印领域技术创新。
并且值得注意的是,3D打印设备商EOS(2024 TCT展位号:8E30)于今年正式推出用于工业3D打印的高强度阳极氧化铝合金材料Aluminum Al5X1,并在11月开始供货。与其他具有类似强度和伸长特性的铝合金相比,这种铝合金的成本更具竞争力。EOS Aluminum Al5X1 具有优异的性能和材料特性,兼具高强度和延伸率。

EOS Aluminum Al5X1

随着材料技术的不断攻关,高性能材料在航空航天工艺的发展中不断迭代,新材料的涌现不断倒逼传统材料技术前进,铝材在性能、规格方面面临着极大的挑战,要求铝合金材料更高强、更轻质、更可靠和更长寿,具备极端环境下的服役性能、高强高韧耐腐蚀耐疲劳,加工后低残余应力的大规格高性能材料。TCT也相信铝合金的3D打印发展前景可期,尤其是在应用于航空航天及军工领域。

TCT Asia 2024

时间与地点

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5月8日 09:00 - 17:30

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国家会展中心(上海)7.1&8.1馆

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