3D打印金属材料之铝及铝合金材料

：2020-07-24 ：

3D打印所使用的金属粉末一般要求纯净度高、球形度好、粒径分布窄、氧含量低，目前应用于3D打印的金属粉末材料主要有钛合金、钴铬合金、不锈钢、铁粉、铝粉和铝合金等少数几种，此外还有用于打印首饰用的金、银等贵金属材料。

能够应用于金属零件直接成型加工的3D打印技术有SLS（选择性激光烧结），SLM（选择性激光熔化），EBM（电子束熔炼），LENS（激光近净成型技术）等。相比高分子材料、光敏树脂材料和无机非金属材料的3D打印技术，金属3D打印的设备价格和运行成本较高，工艺难度也偏大，在很大程度上限制了金属材料在3D打印领域的发展。

铝及铝合金材料

铝是自然界中分布最广的金属元素。地壳中铝的含量约为8%(质量)，仅次于氧和硅，是地壳中含量最丰富的自然元素。据报道，地球上的某些石英矿脉中以及月球土壤中含有少量自然铝。已知的含铝矿物有250多种，其中最常见的是铝硅酸盐类。铝合金是以铝为基础，加入一种或几种其他元素（如铜、镁、硅、锰、锌等）构成的合金，从而提高了强度。铝合金具有良好的耐腐蚀性能和加工型。

金属铝最初是用化学法制取的。1825年丹麦化学家H. C. Orsted和1827年德国化学家F. Wohler分别用钾汞齐和钾还原无水氯化铝，都得到少量金属粉末。1854年F. Wohler还用氯化铝气体通过熔融钾的表面，得到了金属铝珠，每颗重10 mg～15 mg，因而能够初步测定铝的密度，并认识到铝的熔点不高，并具有延展性。电解法炼铝起源于1854年，德国化学家R. W. Bunsen和法国化学家S. C. Deville分别点解氯化钠-氯化铝络盐，得到金属铝。1854年S. G. Devile在法国巴黎附近建立了一座小型炼铝厂。1865年俄国化学家H. H. BeKeTOB提议用镁来置换冰晶石中的铝，这一方案被德国Gmelingen工厂采用。由于电解法兴起，化学法便渐渐被淘汰。在整个化学法炼铝阶段中（1854-1895年），大约总共生产了200吨铝。1883年美国人S.Bradley申请了电解熔融冰晶石的专利。

H. C. Orsted

国内方面，中国的炼铝试验工作起始自1934年天津的黄海化学工业社，用800A预焙阳极电解槽炼出金属铝。新中国成立后，中国铝工业得到迅速发展。

金属铝

传统的铝合金铸造技术存在很多缺陷。铸造铝合金的生产制造中存在的缺陷主要体现在以下两个方面。

（1） 铸造在铸注过程中会伴随很多缺陷的形成，如错边、尺寸不符、浇不足、气孔、夹渣、针孔等，这些缺陷造成了铸造工艺的废品率在15%以上。

（2） 铸造工艺中由于冷却速度较慢，通常会造成铝合金晶粒异常长大，合金元素的偏析，严重影响铝合金的力学性能。此外，铸造铝合金在应用过程中的焊接性较差，容易产生塌陷、热裂纹、气孔、烧穿等缺陷，同时还会发生铝的氧化、合金元素的烧损蒸发等导致焊缝性能降低，目前铝合金的连接问题也是制约其应用的瓶颈。

传统的铸造成型工艺从铸锭到机加工再到最后的实际零部件，需要多道工序完成，且材料利用率低，某些复杂零部件的材料利用率仅10%左右，并且铸造过程中对模具的要求极高，对于一些复杂程度高的小型零部件甚至无法用铸造方法来成型。因此，铸造等传统成型加工方法在某些特定领域（航空航天部件、汽车用复杂零部件、矿物加工异形过流件等）的局限性日益明显。

而3D打印技术可以针对性地解决上述铸造工艺中暴露出的一些缺陷，满足铸造过程中加工困难或无法加工的特殊零部件的成型加工需求。随着工业化进程的加快，人们对铝合金零部件的结构和铸件性能的要求也日益提高，现在铝合金结构件的发展趋势是复杂形状结构件的整体成型及工艺流程的智能化。形状复杂，尺寸精密，小型薄壁，整体无余量零部件的快速生产制造是将来一段时期铝合金零部件加工的发展方向。

优势&技术限制

铝应用在3D打印中的优势：

1. 熔点低。铝的熔点低，因此其3D打印激光烧结温度远低于其他金属材料。

2. 密度小。铝可用来制造轻结构，有"会飞金属"之称。因此在打印物件时所需的支撑要求低于其他金属材料。

3. 可强化。纯铝强度不高，可通过添加各种元素变成铝合金，使其强度提高。

4. 塑性好，易加工。铝可用来拉成管材和细丝，挤成各种型材。现在也有使用铝材料进行FDM打印的研究报道。

铝应用在3D打印中的缺陷：

1. 化学活性高。铝被制成粉末后，表面积增加，其化学活性进一步上升，容易燃烧，加工安全性较低。

2. 强度低，机械性能不佳。

3. 铝表面上极易生成致密而牢固的氧化铝薄膜，导致烧结困难。

铝合金材料能够在一定程度上克服上述缺点。铝合金材料具有密度轻、弹性好、比刚度和比强度高、耐磨耐腐蚀性好、抗冲击性好、导电导热性好、良好的成型加工性能以及高的回收再生性等一系列优良特性。铝合金材料被应用于诸多领域：因其具有良好的导电性能，可代替铜作为导电材料；铝具有良好的导热性能，是制造机器活塞、热交换器、饭锅和电熨斗等的理想材料；铝合金也被应用于建筑行业，如铝门窗、结构件、装饰板、铝幕墙等；航空航天、造船、石油及国防军工部门更需要高精尖铝合金材料。一家超音速飞机约由70%的铝及其合金构成。船舶建造中，一艘大型客船的用铝量常达几千吨。

2015年，空客防务和航天公司在英国宣称，他们已经使用铝生产了第一个航天质量的3D打印部件。该部件是英国国家空间技术计划下面一个两年期的研究和开发项目的成果。英国国家空间技术计划是由Innovate UK和英国航天局共同发起的。

铝制3D打印部件三维建模

研发团队说，这些新的3D打印部件无法使用常规的制造方法完成。它们包括使用航空级铝合金建造的结构支架。这种3D打印的航天级支架，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%。 它取代了四个独立部件的功能，其中包括44颗铆钉。相比较而言，3D打印的部件硬度提升了40%，而且制造过程中不像传统技术那样产生大量的材料浪费。

英国国家空间技术计划研发的航空航天零部件

对于工业级3d打印机而言，3d打印材料的坚韧性是决定其应用广泛与否的一个重要方面。美国普渡大学（Purdue University）研究助理兼实验室技术员Dahlon P Lyles为了进行关于晶格结构的概念验证，用铝合金3D打印了一个晶格结构的立方体。为了测试这个铝合金晶格的强度，Lyles和他的团队对3.9克的3D打印立方体进行了挤压试验。最终结果表明，晶格最大能够承受的重量达到几乎900磅（408千克）。也就是说，这个小小的立方体结构能够承受其自身104615倍的重量。

Lyles表示，由于重量轻、坚硬度好，晶格结构未来不仅仅能在医学领域得到应用而且在建筑、工程都具有较好的应用前景。