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。

能夠應用于金屬零件直接成型加工的3D打印技術有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）等。相比高分子材料,、光敏樹脂材料和無機非金屬材料的3D打印技術,，金屬3D打印的設備價格和運行成本較高，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,，加入一種或幾種其他元素（如銅、鎂,、硅,、錳、鋅等）構成的合金,，從而提高了強度,。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法制取的,。1825年丹麥化學家H. C. Orsted和1827年德國化學家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,，并認識到鋁的熔點不高,，并具有延展性。電解法煉鋁起源于1854年,，德國化學家R. W. Bunsen和法國化學家S. C. Deville分別點解氯化鈉-氯化鋁絡鹽,，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，化學法便漸漸被淘汰,。在整個化學法煉鋁階段中（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，中國的煉鋁試驗工作起始自1934年天津的黃�,；瘜W工業(yè)社,，用800A預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，嚴重影響鋁合金的力學性能,。此外,，鑄造鋁合金在應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)等導致焊縫性能降低，目前鋁合金的連接問題也是制約其應用的瓶頸,。

傳統(tǒng)的鑄造成型工藝從鑄錠到機加工再到最后的實際零部件,，需要多道工序完成，且材料利用率低,，某些復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域（航空航天部件,、汽車用復雜零部件、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)化進程的加快,，人們對鋁合金零部件的結(jié)構和鑄件性能的要求也日益提高,，現(xiàn)在鋁合金結(jié)構件的發(fā)展趨勢是復雜形狀結(jié)構件的整體成型及工藝流程的智能化。形狀復雜,，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&技術限制

鋁應用在3D打印中的優(yōu)勢：

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

2.  密度小,。鋁可用來制造輕結(jié)構，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.  可強化。純鋁強度不高,，可通過添加各種元素變成鋁合金,，使其強度提高。

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

鋁應用在3D打印中的缺陷：

1.  化學活性高。鋁被制成粉末后,，表面積增加,，其化學活性進一步上升，容易燃燒,，加工安全性較低,。

2.  強度低，機械性能不佳,。

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。鋁合金材料具有密度輕,、彈性好,、比剛度和比強度高、耐磨耐腐蝕性好,、抗沖擊性好,、導電導熱性好、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,。鋁合金材料被應用于諸多領域：因其具有良好的導電性能,，可代替銅作為導電材料；鋁具有良好的導熱性能,，是制造機器活塞、熱交換器,、飯鍋和電熨斗等的理想材料,；鋁合金也被應用于建筑行業(yè)，如鋁門窗,、結(jié)構件,、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,。一家超音速飛機約由70%的鋁及其合金構成,。船舶建造中，一艘大型客船的用鋁量常達幾千噸,。

2015年,，空客防務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計劃下面一個兩年期的研究和開發(fā)項目的成果,。英國國家空間技術計劃是由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)團隊說,，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)技術那樣產(chǎn)生大量的材料浪費,。

英國國家空間技術計劃研發(fā)的航空航天零部件

對于工業(yè)級3d打印機而言,，3d打印材料的堅韌性是決定其應用廣泛與否的一個重要方面。美國普渡大學（Purdue University）研究助理兼實驗室技術員Dahlon P Lyles為了進行關于晶格結(jié)構的概念驗證,，用鋁合金3D打印了一個晶格結(jié)構的立方體,。為了測試這個鋁合金晶格的強度，Lyles和他的團隊對3.9克的3D打印立方體進行了擠壓試驗,。最終結(jié)果表明,，晶格最大能夠承受的重量達到幾乎900磅（408千克）。也就是說,，這個小小的立方體結(jié)構能夠承受其自身104615倍的重量,。

Lyles表示，由于重量輕,、堅硬度好,，晶格結(jié)構未來不僅僅能在醫(yī)學領域得到應用而且在建筑、工程都具有較好的應用前景,。

鋁制的晶格結(jié)構（圖片來源：3D科學谷）

瑞典Lund大學的OlafDiegel教授利用EOS公司的金屬3D打印機制成的鋁制吉他

澳大利亞的3D打印無人機團隊FusionImaging開發(fā)出鋁制無人機,，時速達到141公里/小時

3D打印的鋁制藝術品

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）

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