金屬3D打印材料之鋁及鋁合金材料

　　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，SLM，EBM，LENS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。今天主要跟你分享鋁及鋁合金材料。

　　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性。

　　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10mg～15mg，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。

　　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。

　　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。

　　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)項目的成果。英國國家空間技術(shù)計劃是由InnovateUK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)（PurdueUniversity）研究助理兼實(shí)驗(yàn)室技術(shù)員DahlonPLyles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）

　　優(yōu)勢&技術(shù)限制

　　鋁應(yīng)用在3D打印中的優(yōu)勢如下：

　　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。現(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，極易燃燒，甚至發(fā)生爆炸，加工安全性較低。

　　2.強(qiáng)度低，機(jī)械性能不佳。

　　3.鋁暴露在空氣中后表面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。

利用3D打印技術(shù)制成的鋁制吉他

3D打印的鋁制藝術(shù)品