金屬鋁為原材料的增材制造技術(shù)在航空航天于車輛工程的應(yīng)用

3D打印（也稱為增材制造）使用逐層堆積材料的方法從數(shù)字模型生產(chǎn)零件，廣泛應(yīng)用于聚合物、金屬、混凝土和水凝膠的制造。其中金屬增材制造因其相較于傳統(tǒng)制造方法（如鑄造、成型和機加工）具有零件設(shè)計自由，制造出的零件具有重量輕、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點，以及可以對零件進行功能化設(shè)計等優(yōu)勢而被廣泛用于航空航天、石油天然氣、船舶和汽車行業(yè)。此外，金屬增材制造是一種無需額外工具的制造技術(shù)，可以在更短的時間內(nèi)生產(chǎn)出高精度的全密度金屬物體。

△使用鋁打印的超輕多孔材料

3D打印中鋁合金的應(yīng)用

AlSi10Mg是一種用于工業(yè)3D打印鋁的常用鋁合金。它的優(yōu)點是高強度、高韌性、高動態(tài)質(zhì)量、優(yōu)化的熱特性和可建造性。AlSi7Mg是另一種用于航空航天、國防和汽車工業(yè)結(jié)構(gòu)部件的高強度鋼合金。3D打印AlSi7Mg的主要優(yōu)點是重量輕、耐腐蝕和高動態(tài)承載能力。

3D打印鋁合金的研究現(xiàn)狀


在最近發(fā)表在Ceramics 雜志上的一項研究中，來自中國的研究人員使用直接墨水書寫法打印磷酸鋁粘結(jié)的氧化鋁陶瓷。他們發(fā)現(xiàn)由于添加了無機粘結(jié)劑，Al2O3陶瓷表現(xiàn)出超低的尺寸收縮。

最近的研究探索了3D打印復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用。復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的3D打印可以提高航空航天行業(yè)的可持續(xù)性和制造靈活性。

在鋁中添加納米材料也是金屬3D打印領(lǐng)域的一個最新研究課題。在鋁合金中直接混合納米材料或者在3D打印過程中摻入納米顆粒都將改善零件的機械性能和熱性能。

3D打印鋁合金的優(yōu)勢

3D打印鋁合金具有以下優(yōu)點：

可以通過改變微觀結(jié)構(gòu)和零件內(nèi)部的力分布來改變零件的機械性能。對鋁合金3D打印的研究表明，與傳統(tǒng)方法相比，3D打印針對復(fù)雜組件的制造具有更快的速度，同時材料強度更高，延展性更好，也更節(jié)省材料。

鋁合金增材制造還可以生產(chǎn)高度優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，例如具有內(nèi)部加固特征的高能量吸收的零件。零件在打印過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠被轉(zhuǎn)化為有利的預(yù)應(yīng)力，但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度高、制造成本高、耗時長因而無法使用傳統(tǒng)制造方法制造。此外，3D打印的鋁合金零件可以與其他零件一起使用，以創(chuàng)建混合結(jié)構(gòu)。

△基于鋁原料的3D打印

未來3D打印鋁合金的挑戰(zhàn)

將鋁合金增材制造用于實際工業(yè)應(yīng)用上仍然存在許多挑戰(zhàn)。首先，在某些情況下，鋁的3D打印比傳統(tǒng)生產(chǎn)方法更昂貴。其次，現(xiàn)有的設(shè)計方法亟需優(yōu)化以適應(yīng)材料屬性和多變的目標幾何形狀。

此外，需要對金屬增材制造技術(shù)制定標準化的質(zhì)量規(guī)范，以確保制造的零部件在其生命周期中是可靠的。如果這些技術(shù)和行業(yè)挑戰(zhàn)得到解決，鋁合金3D打印在各個行業(yè)都將有巨大的應(yīng)用潛力。