导读：从汽车备件到卫星天线，铝材料一直以来都是人们的最优选择。现在随着增材制造的发展，新型铝材料不断被研发出来，3D打印机也逐步向着更高精度发展，所以3D打印铝部件的应用正在扩大。通过3D打印制造的铝零件具有更好的材料特性，并且还能实现复杂的几何形状。铝材料的3D打印有哪些应用领域？常用的铝材料又有哪些？
△Pinarello Bolide F HR 3D自行车车架由英国 Metron Additive Engineering 在 EOS M400 上用 Scalmalloy 3D 打印
●以 Scalmalloy 为例，这是一种专为增材制造而开发的由钪、铝和镁制成的高性能合金，比钛更坚固！研发人员利用这个材料制造了3D打印自行车车架并进行了一系列测试，帮助Filippo Ganna在瑞耐力赛中创造了破纪录的速度 (56.8 km/h)。这个被誉为“世界上最快的自行车”是在大幅面 EOS M400 机器上 3D 打印出来的。
●由 Uniformity Labs 开发的用于3D打印的新型UniFuse铝合金 (AlSi10Mg) 可显着加快激光粉末床熔融铝打印速度，这种材料具有高性能，整体来看性价比很高。
●SLM Solutions和Velo3D都不断探索和迭代，在其3D打印机上提供新工艺，他们使用铝合金 F357 制造了更高性能的零件。SLM Solutions 称，这种铝合金非常适合 3D 打印薄壁和复杂结构，而这些结构在传统制造中具有挑战性。
●航空航天公司霍尼韦尔正在与 SLM 合作，以验证 F357 零件的性能， Velo3D 正在与 PWR 合作，PWR 是一家为一级方程式、纳斯卡和其他赛车赛事提供先进冷却解决方案的全球供应商，经验证，利用增材制造技术生产零件比传统的铸造要快的多。
●3D打印机制造商 Trumpf 于2022年底宣布，它正在与金属粉末制造商ECKA Granules密切合作，提供针对其激光粉末床机器进行调整的CustAlloy 铝合金，用于新的汽车应用。
△AML3D 使用机械臂在大型零件的制造中沉积铝线
△一个3D打印部件，展示了增材制造技术在一个单元中打印内部特征和复杂组件的能力。采用 Scalmalloy 打印，Heraeus 专门为增材制造开发的一种铝合金
铝材的优势：
●铝合金具有良好的耐化学性，非常轻，并且具有所有金属中最好的强度重量比之一。
●与硅和镁相结合，它是航空航天和汽车行业许多人的选择，因为它能够承受恶劣的条件。
●铝或任何金属 3D 打印的最大优势之一是，可以创建具有内部通道和特征的零件，而这些零件无法通过任何其他方式制造。
●用户可以将多部件组件作为一个单元进行打印，从而大大缩短制造和装配时间，并开发出整体上更高效的部件。
●3D 打印也不会产生太多浪费(因为是一种减材制造）。这对于航空航天业来说尤其重要，即采购原材料的重量与最终部件重量的比值。
△保时捷为电动汽车开发了 3D 打印铝制外壳
●铸造或机加工铝通常具有更高的生产成本，并且在制造过程中使用更多的能源，还有购买夹具或模具的额外费用，AM则不会有这种问题。
●设计工作通过软件完成，无需创建物理工具或模具即可完成。增材制造制造商可以快速且经济地生产小批量和定制零件，新兴技术继续使更大的生产运行和更低的运营成本成为现实。
●由于使用粉末床技术对零件进行分层需要耗费一些时间，因此增材制造通常用于定制或小规模生产运行，但正如莱昂纳多和波音公司所展示的那样，粘合剂喷射打印、直接能量沉积和其他方法有望改变这种情况.
△用铝打印的梅赛德斯-奔驰备件（来源：梅赛德斯-奔驰）
接下来看看打印机制造商和材料制造商如何合作推动 3D 打印铝材的新应用：
汽车
●福特汽车公司在2023年3月份宣布，计划每年生产多达 200,000 个生产级3D 打印铝部件，这意味着用于工业的大批量 3D 打印铝已经到来。福特与其合作伙伴 3D 打印机制造商 ExOne 合作了几年，领导一个由工程师、材料科学家和制造专家组成的团队，开发了一种正在申请专利的工艺，用于快速可靠的粘合剂喷射 3D 打印和铝烧结，提供与压铸一致的性能。ExOne 首席执行官 John Hartner 表示：“开发一种快速、经济且简单的方法来 3D 打印具有传统材料特性的铝，是朝着轻量化更多产品和实现更可持续的未来迈出的关键一步。”
△保时捷 911 的 3D 打印铝活塞（来源：保时捷）
●保时捷3D打印高性能铝活塞，现在已经用在了911旗舰车型GT2 R上S，使 700 PS 双涡轮增压发动机的功率增加了 30 PS，同时提高了效率。此先进开发项目的铝制活塞重量比锻造系列生产活塞轻 10%，在活塞顶上还有一个集成的封闭式冷却管道，这是传统方法无法生产的。保时捷高级驱动开发部门的 Frank Ickinger 解释说：“由于采用了更轻的新型活塞，我们可以提高发动机转速，降低活塞上的温度负荷并优化燃烧。”保时捷还在 2020 年使用 3D 打印铝生产了第一个完整的电驱动外壳，该公司表示，使用增材激光融合工艺生产的发动机变速箱单元通过了所有质量和压力测试，没有任何问题。
●梅赛德斯-奔驰正在为其卡车和汽车系列打印铝制替换零件并对其进行改进。例如，300 SL Coupé 的内后视镜底座，更换部件经过重新设计，在道路安全方面进行了功能更改，可提供优化的后方视野。
航天
●尽管重量较轻的钛通常是航空航天的首选金属，但铝仍然是许多应用中的主力军。空客正在使用其专为增材制造 A350 XWB 和其他飞机的 3D 打印部件开发的现代铝合金。它还在其通信卫星中使用了铝制 3D 打印部件，其中包含 500 多个增材制造部件。
●除了最近与 AML3D 的合作外，波音公司还在其飞机、卫星和直升机中使用 3D 打印定制铝部件。使用在冷却阶段涂有特殊纳米粒子的铝合金进行3D打印，可以制造出在不发生热裂的情况下进行焊接的高强度铝合金。这项突破性技术会降低车身的重量，让飞机用更少的燃料飞得更远。
●直升机制造商莱昂纳多与 Aidro 签订了铝制飞行部件的合同，Aidro 是一家通过金属增材制造制造液压和流体动力系统的公司。莱昂纳多正在寻求 3D 打印铝的轻量化及其生产更紧凑和复杂飞行部件的能力。
这标志着航空航天业的一种趋势，随着工艺的成熟和新技术进入市场，从更成熟的特种材料（如钛）扩展到包括更便宜的粉末替代品（如铝）。
△Elementum 3D 的 A6061-RAM2 铝合金用于构建此散热器
有几种金属3D打印技术可用于加工铝和铝基合金，包括：
●熔融沉积建模 (FDM)
●激光粉末床熔合 (LPBF)
●电子束熔炼 (EBM)
●粘合剂喷射
●冷聚变
●电弧增材制造 (WAAM)
对于 FDM，目前只有两家公司提供铝金属丝（The Virtual Foundry、Zetamix），并且需要后处理步骤才能实现金属部件的制造。这些最常用于原型金属零件而不是功能零件。
△3D 打印中铝粉的激光粉末床融合（来源：Gränges）
激光粉末床融合 (LPBF)是最常见的铝 3D 打印技术，但并非每台采用该技术的打印机都能处理铝材料。根据要加工的铝基合金的特性，必须优化和调整 LPBF 打印参数，以控制孔隙率、微观结构和最终材料特性。这就是为什么市场上材料制造商和打印机制造商之间存在特定关系的原因。
顶级铝激光粉末床融合打印机：
●EOS
●Concept Laser
●Velo3D
●SLM Solutions
●3D Systems
●Trumpf
●OneClickMetal
电子束熔化是与 LPBF 类似的过程，但使用电子束而不是激光。电子束的高工艺温度导致单层冷却较慢，因此与 LPBF 相比，微观结构较粗糙。纯铝与 EBM 不兼容，但钛铝合金可以。
顶级铝合金 EBM 3D 打印机：
●QBEAM Aero350
冷喷涂和WAAM用于快速创建最终形状的大型铝制零件，然后将其加工成更精细的公差，这种方法比铸造重工业中使用的单个独特零件要经济得多。
顶级铝冷喷涂 3D 打印机：
●Spee3D
●Impact Innovations
顶级铝WAAM 3D打印机：
●ALM3D
●MX3D
●Gefertec
●WAAM3D
3D 机器制造商 Grob 提供了一种挤压熔融铝的专业技术。这是一种无粉制造工艺，公司称之为液态金属打印。GROB 的GMP300可生产近净形部件，加工成更严格的公差。施乐在其ElemX 3D 打印机上提供了类似的技术，该打印机目前安装在部分美国军事设施中，但在 2022 年宣布不会将该技术商业化。
△Desktop Metal 在其 X 系列和 Production System 打印机上提供 6061 铝打印功能（来源：Desktop Metal）
铝粘合剂喷射是快速打印中到大批量的技术选择，但该技术需要后处理。
顶级铝粘合剂喷射 3D 打印机：
●Desktop Metal
铝材料
△增材制造用铝粉（来源：GE）
研究人员对增材制造铝合金材料方面进行了大量的研发工作。在 AM 的早期，工程师在使用铝材时遇到了挑战，但现在这种挑战已经攻克。新型高性能铝和合金专为 3D 打印工艺打造，这些材料经过特别调整，可利用激光和电子束增材制造的独特熔化工艺。一些新的初创企业已经采用专有的雾化技术来生产专门用于 3D 打印的高性能铝合金粉末。“可打印”金属材料的清单在过去三年中翻了一番，极大地扩展了用户可以利用增材制造的可能应用的数量。
△Aconity3D 使用 Equispheres AlSi10Mg 铝粉打印的部件（来源：Aconity3D）
3D打印专用铝材
●UniFuse AlSi10Mg由 Uniformity Labs 于 2023 年 2 月推出，是一种用于激光粉末床熔合 3D 打印的铝粉，层厚为 50 至 90 微米。目前在产品品牌 UniFuse 和 UniJet（用于粘合剂喷射的版本）下生产，Uniformity Labs 表示粉末将在规模上反复改进。
●NExP-1由材料公司 Equispheres 于 2022 年底推出，是一种用于增材制造的不易爆铝合金原料，可减少与 3D 打印材料日常处理相关的危害。Equispheres 还表示，其专为增材制造设计的 Performance AlSi10Mg 粉末在 Aconity3D 激光粉末床融合 3D 打印机上打印复杂设备组件时，能够将打印时间缩短 60% 以上。
●由增材制造公司 APWorks 专门为 3D 打印开发的Scalmalloy是强度最高的增材制造可加工铝合金。它在航空航天和赛车运动中用于代替高强度 7000 系列铝。
●A20X铝粉是由 Aluminum Materials Technologies（现隶属于 Eckart Group）专门为增材制造开发的。该公司表示，这种专为航空航天应用设计的特殊合金可以生产比传统铝材轻得多的部件。
●Elementum 3D提供气雾化铝合金增材制造原料粉末，包括传统铝合金的增强版本和采用公司专有的反应增材制造 (RAM) 工艺实现的高级弥散强化铝粉。RAM 工艺使以前不可焊接且因此无法打印的铝合金可用作金属 3D 打印的原料粉末。
●EOS 铝 Al2139 AM是打印机和材料制造商 EOS 专为增材制造设计的专有铝合金，可在高达 200ºC 的高温下提供性能。该合金于 2021 年推出，旨在让 EOS 客户有机会在不影响强度（热处理时抗拉强度约为 500 MPa）的情况下显着减轻制造零件的重量。
●Aheadd是材料公司 Constellium 的两种铝粉的集合，针对激光粉末床熔合工艺进行了优化。Aheadd CP1 具有许多优点，包括接近纯铝的导热性和导电性、高延展性和出色的表面处理特性。由于其非常高的打印速度和简化的后处理，这种合金也是其他 AM 应用的经济高效的替代品，这使得 Aheadd CP1 成为快速原型制作和批量生产的首选解决方案。
●S220 AM是瑞典公司 Granges Powder Metallurgy 于 2022 年推出的一种用于激光粉末床熔合的新型铝合金。S220 铝合金具有高硅含量、低密度和低热膨胀系数。目前仅作为服务提供。
●来自 Kymera的CustAlloy专为激光粉末床熔合而设计，在汽车应用中特别有益，因为它不像传统铝那样容易破裂或开裂，从而使碰撞相关应用成为可能。这种获得专利的 Al-Si-Mg 基合金可进行热处理，以提供高强度或出色的延展性，具体取决于最终应用。
△3D 打印的铝材可以进行后处理和精加工。这些 3D 打印小雕像由总部位于美国的 Mass Finishing, Inc. 的 Cole Mathisen 完成（来源：Cole Mathisen）
铝合金
目前用于 3D 打印的许多铝合金都是简单的铸造合金，例如 AlSi10Mg。这些铝合金不是特别坚固，也不能承受高温。尽管如此，它们的机械性能仍适用于广泛的应用，并且该材料是“可焊接的”，因此可用于 3D 打印而不会开裂。市场中有很多不同类型的铝合金，以下是增材制造中使用的一些更常见的铝合金：
●AlSi10Mg是最常见的铝合金，具有坚固的强度、硬度和动态性能。其重量轻还支持良好的热性能，并具有强大的可构建性，可用于具有挑战性的几何形状。用途包括外壳、管道系统、发动机零件和生产工具。
●AlSi7Mg0 结合了铝、硅和少量镁，打造出高度耐用且重量轻的合金，适用于精细物体和复杂几何形状。它用于需要强度/质量比以及良好热性能的应用。
●Al 6061 和Al 7075。3D 制造商开始在使用 6061 和 7075 进行打印方面取得成功，此前人们认为这两种材料不利于增材制造工艺。合并纳米粒子正在取得进展。
●6000 系列合金的特性使其成为最受欢迎的传统电气或电子零件制造之一。它们具有延展性，具有高导热性、导电性和耐腐蚀性。6061 是一种沉淀硬化铝合金，含有镁和硅。
●7000 系列合金粉末具有高锌含量，以优异的机械性能和更高的强度而著称，并且可以进行热处理。7075 最常用于高应力结构部件，例如飞机部件，比许多标准结构钢更坚固。
△Sculpteo的铝制零件（来源：Sculpteo）
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