3D打印金屬材料之鋁及鋁合金材料

3D打印所使用的金屬粉末一般要求純凈度高,、球形度好,、粒徑分布窄,、氧含量低,，目前應(yīng)用于3D打印的金屬粉末材料主要有鈦合金,、鈷鉻合金,、不銹鋼,、鐵粉、鋁粉和鋁合金等少數(shù)幾種,，此外還有用于打印首飾用的金,、銀等貴金屬材料。

能夠應(yīng)用于金屬零件直接成型加工的3D打印技術(shù)有SLS（選擇性激光燒結(jié)）,，SLM（選擇性激光熔化）,，EBM（電子束熔煉），LENS（激光近凈成型技術(shù)）等。相比高分子材料,、光敏樹脂材料和無機(jī)非金屬材料的3D打印技術(shù),，金屬3D打印的設(shè)備價格和運(yùn)行成本較高，工藝難度也偏大,，在很大程度上限制了金屬材料在3D打印領(lǐng)域的發(fā)展,。

鋁及鋁合金材料

鋁是自然界中分布最廣的金屬元素。地殼中鋁的含量約為8%(質(zhì)量),，僅次于氧和硅,，是地殼中含量最豐富的自然元素。據(jù)報道,，地球上的某些石英礦脈中以及月球土壤中含有少量自然鋁,。已知的含鋁礦物有250多種，其中最常見的是鋁硅酸鹽類,。鋁合金是以鋁為基礎(chǔ),，加入一種或幾種其他元素（如銅、鎂,、硅,、錳、鋅等）構(gòu)成的合金,，從而提高了強(qiáng)度,。鋁合金具有良好的耐腐蝕性能和加工型。

金屬鋁最初是用化學(xué)法制取的,。1825年丹麥化學(xué)家H. C. Orsted和1827年德國化學(xué)家F. Wohler分別用鉀汞齊和鉀還原無水氯化鋁,，都得到少量金屬粉末。1854年F. Wohler還用氯化鋁氣體通過熔融鉀的表面,，得到了金屬鋁珠,，每顆重10 mg～15 mg，因而能夠初步測定鋁的密度,，并認(rèn)識到鋁的熔點(diǎn)不高,，并具有延展性。電解法煉鋁起源于1854年,，德國化學(xué)家R. W. Bunsen和法國化學(xué)家S. C. Deville分別點(diǎn)解氯化鈉-氯化鋁絡(luò)鹽,，得到金屬鋁。1854年S. G. Devile在法國巴黎附近建立了一座小型煉鋁廠,。1865年俄國化學(xué)家H. H. BeKeTOB提議用鎂來置換冰晶石中的鋁,，這一方案被德國Gmelingen工廠采用。由于電解法興起,，化學(xué)法便漸漸被淘汰,。在整個化學(xué)法煉鋁階段中（1854-1895年）,，大約總共生產(chǎn)了200噸鋁。1883年美國人S.Bradley申請了電解熔融冰晶石的專利,。

H. C. Orsted

國內(nèi)方面,，中國的煉鋁試驗(yàn)工作起始自1934年天津的黃海化學(xué)工業(yè)社,，用800A預(yù)焙陽極電解槽煉出金屬鋁,。新中國成立后，中國鋁工業(yè)得到迅速發(fā)展,。

金屬鋁

傳統(tǒng)的鋁合金鑄造技術(shù)存在很多缺陷,。鑄造鋁合金的生產(chǎn)制造中存在的缺陷主要體現(xiàn)在以下兩個方面。

（1）   鑄造在鑄注過程中會伴隨很多缺陷的形成,，如錯邊,、尺寸不符,、澆不足,、氣孔、夾渣,、針孔等,，這些缺陷造成了鑄造工藝的廢品率在15%以上。

（2）   鑄造工藝中由于冷卻速度較慢,，通常會造成鋁合金晶粒異常長大,，合金元素的偏析，嚴(yán)重影響鋁合金的力學(xué)性能,。此外,，鑄造鋁合金在應(yīng)用過程中的焊接性較差，容易產(chǎn)生塌陷,、熱裂紋,、氣孔、燒穿等缺陷,，同時還會發(fā)生鋁的氧化,、合金元素的燒損蒸發(fā)等導(dǎo)致焊縫性能降低，目前鋁合金的連接問題也是制約其應(yīng)用的瓶頸,。

傳統(tǒng)的鑄造成型工藝從鑄錠到機(jī)加工再到最后的實(shí)際零部件,，需要多道工序完成，且材料利用率低,，某些復(fù)雜零部件的材料利用率僅10%左右,，并且鑄造過程中對模具的要求極高，對于一些復(fù)雜程度高的小型零部件甚至無法用鑄造方法來成型,。因此,，鑄造等傳統(tǒng)成型加工方法在某些特定領(lǐng)域（航空航天部件,、汽車用復(fù)雜零部件、礦物加工異形過流件等）的局限性日益明顯,。

而3D打印技術(shù)可以針對性地解決上述鑄造工藝中暴露出的一些缺陷,，滿足鑄造過程中加工困難或無法加工的特殊零部件的成型加工需求。隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快,，人們對鋁合金零部件的結(jié)構(gòu)和鑄件性能的要求也日益提高,，現(xiàn)在鋁合金結(jié)構(gòu)件的發(fā)展趨勢是復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)件的整體成型及工藝流程的智能化。形狀復(fù)雜,，尺寸精密,，小型薄壁，整體無余量零部件的快速生產(chǎn)制造是將來一段時期鋁合金零部件加工的發(fā)展方向,。

優(yōu)勢&技術(shù)限制

鋁應(yīng)用在3D打印中的優(yōu)勢：

1.  熔點(diǎn)低,。鋁的熔點(diǎn)低，因此其3D打印激光燒結(jié)溫度遠(yuǎn)低于其他金屬材料,。

2.  密度小,。鋁可用來制造輕結(jié)構(gòu)，有“會飛金屬”之稱,。因此在打印物件時所需的支撐要求低于其他金屬材料,。

3.  可強(qiáng)化。純鋁強(qiáng)度不高,，可通過添加各種元素變成鋁合金,，使其強(qiáng)度提高。

4.  塑性好,，易加工,。鋁可用來拉成管材和細(xì)絲，擠成各種型材�,，F(xiàn)在也有使用鋁材料進(jìn)行FDM打印的研究報道,。

鋁應(yīng)用在3D打印中的缺陷：

1.  化學(xué)活性高。鋁被制成粉末后,，表面積增加,，其化學(xué)活性進(jìn)一步上升，容易燃燒,，加工安全性較低,。

2.  強(qiáng)度低，機(jī)械性能不佳,。

3.  鋁表面上極易生成致密而牢固的氧化鋁薄膜,，導(dǎo)致燒結(jié)困難。

鋁合金材料能夠在一定程度上克服上述缺點(diǎn),。鋁合金材料具有密度輕,、彈性好,、比剛度和比強(qiáng)度高、耐磨耐腐蝕性好,、抗沖擊性好,、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、良好的成型加工性能以及高的回收再生性等一系列優(yōu)良特性,。鋁合金材料被應(yīng)用于諸多領(lǐng)域：因其具有良好的導(dǎo)電性能,，可代替銅作為導(dǎo)電材料；鋁具有良好的導(dǎo)熱性能,，是制造機(jī)器活塞,、熱交換器、飯鍋和電熨斗等的理想材料,；鋁合金也被應(yīng)用于建筑行業(yè),，如鋁門窗、結(jié)構(gòu)件,、裝飾板,、鋁幕墻等；航空航天,、造船,、石油及國防軍工部門更需要高精尖鋁合金材料,。一家超音速飛機(jī)約由70%的鋁及其合金構(gòu)成,。船舶建造中，一艘大型客船的用鋁量常達(dá)幾千噸,。

2015年,，空客防務(wù)和航天公司在英國宣稱，他們已經(jīng)使用鋁生產(chǎn)了第一個航天質(zhì)量的3D打印部件,。該部件是英國國家空間技術(shù)計劃下面一個兩年期的研究和開發(fā)項(xiàng)目的成果,。英國國家空間技術(shù)計劃是由Innovate UK和英國航天局共同發(fā)起的。

鋁制3D打印部件三維建模

研發(fā)團(tuán)隊(duì)說,，這些新的3D打印部件無法使用常規(guī)的制造方法完成,。它們包括使用航空級鋁合金建造的結(jié)構(gòu)支架。這種3D打印的航天級支架,，是用SLM激光熔融一次制造完成的,，其重量比以前的托架少了35%。 它取代了四個獨(dú)立部件的功能,，其中包括44顆鉚釘,。相比較而言，3D打印的部件硬度提升了40%,，而且制造過程中不像傳統(tǒng)技術(shù)那樣產(chǎn)生大量的材料浪費(fèi),。

英國國家空間技術(shù)計劃研發(fā)的航空航天零部件

對于工業(yè)級3d打印機(jī)而言,，3d打印材料的堅韌性是決定其應(yīng)用廣泛與否的一個重要方面。美國普渡大學(xué)（Purdue University）研究助理兼實(shí)驗(yàn)室技術(shù)員Dahlon P Lyles為了進(jìn)行關(guān)于晶格結(jié)構(gòu)的概念驗(yàn)證,，用鋁合金3D打印了一個晶格結(jié)構(gòu)的立方體,。為了測試這個鋁合金晶格的強(qiáng)度，Lyles和他的團(tuán)隊(duì)對3.9克的3D打印立方體進(jìn)行了擠壓試驗(yàn),。最終結(jié)果表明,，晶格最大能夠承受的重量達(dá)到幾乎900磅（408千克）。也就是說,，這個小小的立方體結(jié)構(gòu)能夠承受其自身104615倍的重量,。

Lyles表示，由于重量輕,、堅硬度好,，晶格結(jié)構(gòu)未來不僅僅能在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到應(yīng)用而且在建筑、工程都具有較好的應(yīng)用前景,。

鋁制的晶格結(jié)構(gòu)（圖片來源：3D科學(xué)谷）

瑞典Lund大學(xué)的OlafDiegel教授利用EOS公司的金屬3D打印機(jī)制成的鋁制吉他

澳大利亞的3D打印無人機(jī)團(tuán)隊(duì)FusionImaging開發(fā)出鋁制無人機(jī),，時速達(dá)到141公里/小時

3D打印的鋁制藝術(shù)品

利用SLS（選擇性激光燒結(jié)）打印的鋁制工業(yè)品

利用金屬鋁打印的工業(yè)制品

3D打印的鋁制開瓶器（圖片來源：Shapeways）

3D打印鋁制馴鹿（伯明翰大學(xué)）

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