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一文看懂铝合金制造在3D打印领域的现状与生长态势

宣布时间：

2023-01-11 12:47

　　铝合金，由于其天然的轻量化特点，在工业制造领域占有重要的一席之地。不过随着3D打印在钛金属领域的崛起以及低本钱钛金属的生长趋势，铝合金似乎遇到了钛合金和复合轻量化塑料质料的双重夹击。甚至包括古板加工行业的铝合金轮毂，也面临着无充气整体轮胎生长趋势的威胁，那么铝合金是否可以借助3D打印技术获得一定水平突围，在金属3D打印领域的生长现状如何呢?

　　本期，3D科学谷从市场生长态势，粉末质料目今的技术突破，以及铝合金与3D打印技术的多种结合方法，铝合金的应用优势领域，为谷友深入剖析铝合金制造在3D打印领域的现状与生长态势。

点阵结构的铝合金3D打印

　　借力3D打印越发轻量化

　　市场生长态势：

　　铝合金的市场生长态势方面，凭据SmarTech的预测，铝合金占金属3D打印中所有金属粉末的消耗量(按体积盘算)从2014年的5.1%逐渐提高到2026年的11.7%左右，铝合金在汽车行业的10年复合增长率在51.2%。

　　铝硅AlSi12-铝硅12是一种具有良好的热性能的轻质增材制造金属粉末。AlSi10Mg-硅/镁组合带来显著的强度和硬度的增加。这种铝合金适用于薄壁，庞大的几何形状的零件，是需要良好的热性能和低重量场合中理想的应用质料。零件组织致密，有铸造或铸造零件的相似性。典范的应用包括汽车，航空航天和航空工业级的原型及生产零部件，例如换热器这样的薄壁零件。

　　虽然差别的金属3D打印技术保存着一定层面的竞争或互补关系。竞争的主旋律围绕着在提供高度的精度以及零件庞大性的同时，满足更高的效率和更低的本钱。

　　粉末质料：

　　压铸合金AlSi10Mg类似美国合金360,虽然这并不是一个被广泛认可的高强度铸造合金，但它已被证明通过适当的热处理能够爆发相当高的强度，3D科学谷了解到虽然这一事实也还备受争议。但从广义上讲，这种合金可以通过标准的热处理工艺，固溶处理后人工时效，称为T6周期。溶液处理500°C以上， 4-12h，温度不应凌驾550°C，其次是水或聚合物熔体淬火。人工老化温度在155°C-165°C之间，时间6-24h，通过精确的时间和温度控制最终性能�？估慷瓤梢源�220MPa到340MPa之间，抗拉屈服强度在180MPa和280MPa之间。其他合金包括169(A357)和AlSi7Mg。

　　别的，凭据3D科学谷的市场研究另外专有的合金如Scalmalloy已经被用于空客的增材制造应用中，这是一些令人兴奋的进展。

　　在凌驾5,500种合金质料中，绝大大都质料仍无法通过金属3D打印技术制造。凭据3D科学谷的市场视察，美国HRL 实验室发明，影响合金质料在增材制造工艺中使用的原因是，打印历程中质料的熔融和凝固爆发了具有大柱晶粒和周期性裂纹的微观结构。HRL 实验室体现，可以通过在增材制造质料中引入纳米颗粒成核剂的方法来解决这一问题。

　　HRL实验室的研究人员凭据晶体学信息选择了锆基纳米颗粒成核剂，并将它们组装到了7075和6061系列铝合金粉末中。在用成核剂进行功效化之后，这些先前与增材制造制造不相容的高强度铝合金可以使用粉末床选择性激光熔化设备进行乐成的加工。成型后的质料无裂纹，等轴(即，其长度，宽度和高度上的晶粒大致相等)，实现了细晶粒微观结构，并与铸造质料具有相当的质料强度。

　　如今，为了进入商业化历程，HRL实验室乐成将这种合金注册下来，美国铝业协会卖力监督整个行业使用的合金注册和产品标准。该协会的新增材制造合金注册系统于2019年2月推出，以响应越来越多的增材制造合金，第一个注册的正是HRL实验室的高强度铝。这将永远将HRL与这种特殊的合金身分联系在一起。这一点，值得海内企业借鉴。

　　而海内，中航迈特与GE增材在2019年7月宣布联合共建北京亦庄增材制造立异中心，推动增材制造高性能钛铝合金、高温合金等质料及其零部件产品在民用航空发动机上的应用。

　　铝合金与3D打印技术的结合

　　SLM选区激光熔化金属3D打印

　　除了空客的Scalmalloy已经被用于空客的增材制造应用中，凭据3D科学谷的市场视察，SLM选区激光熔化金属3D打印铝合金的一个经典应用是Betatype公司3D打印铝合金热交换器，通过粉末床激光熔化工艺创立出所需的超高密度点阵结构。在3D科学谷看来，铝合金材质方面的轻量化优势与点阵结构的结构方面的轻量化双重增强，成为一种颇具前景的轻量化实现方法。

　　不过铝合金的加工领域国际上的一家公司走出了更系统化的路线，针关于铝合金的加工，Sintavia开发出了完整的端到端的参数体系，Sintavia通过专有工艺来打印F357铝粉末，从而满足航空航天和汽车行业对低密度、良好的加工性和热传导元件的需求。航空航天和汽车行业关于铝硅合金的需求正在上升，Sintavia的综合制造能力使得F357铝合金的制造越发快速，并且抵达或凌驾行业的严格验证参数要求。

　　Sintavia独家的铝合金加工工艺是一整套的体系，不但包括预构建质料剖析，还包括后期热处理和压力消除，从而能够生产出高达125%的设计强度，精密度达100%。通过常温、高温强度验证，以及零度以下的温度验证，Sintavia能够快速生产出满足要求的铝件。

　　砂模3D打印+铝合金铸造

　　此前，凭据3D科学谷的市场视察，海内方面，2018年春风汽车公司通用铸锻厂联合其他三家单位建立战略相助。四方利用各自优势，建立产学研全面相助关系，共建汽车轻量化铝合金低压铸造研究中心，配合在汽车用铸造铝合金质料、铝合金铸件轻量化设计、铝合金铸造技术的开发与应用等方面开展全方位相助。

　　凭据3D科学谷的市场视察，国际上，关于铸造在交通工具领域的轻量化应用，一个现实的例子是欧特克实验通过3D打印熔模来铸造镁铝合金，从而实现飞机座椅的轻量化。这种座椅结构件适合任何标准的商用喷气式飞机，预计可以通过减重为航空公司节约数百万美元的本钱。

视频：铝镁合金铸造与3D打印砂型相结合。来源：欧特克

　　虽然，金属3D打印在推动制造业跨越式生长，并能够生产很是庞大的产品，但目前质料选项仍然有限。目前增材制造支持的质料只有几十种，但铸造可以在成千上万种的金属和复合质料中进行选择。因此，该项目利用了3D打印的技术优势，而不完全依赖于3D打印技术。

　　利用3D打印和铸造，来生产铝合金产品可以将3D打印制造庞大产品的优势以及铸造领域多年来成熟的工业化工艺做到优势结合。

　　颗粒增强

　　借助颗粒增强获得的铝硅基复合质料可显著提高古板的铝硅合金的力学性能，已经被广泛的研究并在实际工程中获得应用。

　　目前关于激光增材制造的颗粒增强铝基复合质料，在成形加工历程中主要面临这样一些问题：

　　- 由于铝对激光具有很高的激光反射率，通常低功率激光器难以使得铝合金爆发完全熔化，增强颗粒的加入能够在水平上提高粉体对激光的吸收率，但增强颗粒加入过多则会导致质料延伸性能下降；

　　- 研究标明，降低增强体的颗粒尺寸抵达纳米级可以有效提高金属基复合质料的机械性能，如提高强度和减少裂纹，可是当增强颗粒的尺寸减小至纳米标准时，颗粒之间会因强烈的范德瓦尔力以及极大的外貌张力而紧密地团聚在一起，从而很倒运于增强颗粒在基体中的均匀疏散，在激光增材制造历程中，所形成熔池中特有的Marongoni流可以起到均匀疏散第二相的作用，但该Marangoni流又与熔池的温度场紧密相连；

　　- 由于通常加入的增强颗粒为陶瓷相，而陶瓷相与基体相之间的润湿性很差，同时它们之间的热膨胀系数差别也往往较大，这就导致在成形历程中形成的液相不可均匀铺展，同时在随后的凝固历程中爆发较大的收缩应力而泛起裂纹。

　　为解决上述保存的技术问题，凭据3D科学谷的市场视察，南京航空航天大学几年前开发出基于SLM成形的铝基纳米复合质料，用于激光增材技术领域，有效的解决铝基纳米复合质料在激光增材历程中工艺性能与力学性能不匹配、增强颗粒漫衍不均匀以及陶瓷相与基材相之间润湿性较差的问题，使得所获得的产品具备良好的界面结合以及优异的力学性能。

　　展望下一步，从生长趋势来看，人工智能将在质料开发领域饰演越来越重要的角色。凭据3D科学谷的市场视察，由英国剑桥的一家人工智能公司Intellegens开发的一种新的机械学习算法已被用于设计一种新的用于金属增材制造的镍基合金。未来，是否铝合金质料开发领域泛起越来越多的人工智能的身影，3D科学谷认为这是一种一定。（来源：3D科学谷）

　　j9九游会建立于2015年，总投资规模23.4亿元人民币，是全国500强企业---j9九游会集团的全资子公司，公司位于河北省石家庄市平山县南甸镇j9九游会集团工业园区，是一家集专业研发、生产、销售高端气雾化金属粉末、激光再制造、3D打印效劳于一体的全流程增材制造公司。

　　我公司现有EOS M290打印机8台，EOS M400-4 1台，Arcam 电子束粉末快速成形系统和铂力特S310各1台，其中EOS M400-4属海内先进设备，配备四个激秃顶，打印效率是E0S M290单激秃顶的3倍以上，具有成型精确、质料利用率高等优点；公司致力于为各制造领域客户提供金属3D打印整体解决计划，业务主要涉及到航空航天零部件、模具、医疗器械及骨科植入物、汽车制造，船舶制造等领域。

金属粉末,增材制造

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苏州倍丰宣布超高强3D打印铝合金粉末质料！

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