金屬工藝匯總

3D打印未來可期

鋁合金因具比強度高、高導熱、來源廣、成本低等優(yōu)點，成為汽車、航空航天、軌道交通等多領域應用最廣泛的金屬材料之一。隨著增材制造技術的快速發(fā)展，多種類型的金屬3D打印技術被用于鋁合金成型研究和應用：

1. 激光粉末床熔融

采用SLM/L-PBF工藝3D打印制造零件的最大優(yōu)勢在于能夠制造高精度、具有良好表面質(zhì)量的復雜幾何結(jié)構(gòu)。這些特點注定了其專有的應用領域，如具有更高換熱效率的熱交換器、輕量化的支架、蒙皮點陣結(jié)構(gòu)等。這些零件采用3D打印制造相比傳統(tǒng)工藝還減少了零件制造步驟、降低了成本并帶來了更好的性能。而采用SLM/L-PBF工藝3D打印鋁合金零件，多用于制造那些具有復雜結(jié)構(gòu)且其他工藝難以實現(xiàn)的零件。

2. 電子束粉末床熔融

限于EBM技術本身的市場規(guī)模較小，關注度也受到了影響，但它是另一種可以打印鋁合金的粉末床熔融技術。鋁合金的電子束選區(qū)熔化 (EBM) 與激光熔化相比具有一些優(yōu)勢，如不受反射率的影響、零件表現(xiàn)出較少的熱應力，對于易開裂的鋁合金牌號打印具有較大優(yōu)勢。此外，真空條件還減少了材料氧化。因此，該工藝為鋁合金的制造提供了巨大潛力。

3. 粘結(jié)劑噴射3D打印

采用粘結(jié)劑噴射3D打印鋁合金存在很大困難，這是因為其易氧化，且在后續(xù)的燒結(jié)過程中易發(fā)生反應，這是該工藝打印鋁合金的一大挑戰(zhàn)。實際上，鋁合金也未廣泛應用于MIM行業(yè)。不過，通過對整個生產(chǎn)流程和材料的優(yōu)化，鋁合金的粘結(jié)劑噴射3D打印取得了突破。鋁合金粘結(jié)劑噴射3D打印工藝一旦成熟，市場應用潛力是巨大的，可用于電動汽車、電動飛機零部件3D打印制造，創(chuàng)造新的價值。

4. 激光/電子束能量沉積工藝

激光能量沉積采用粉末或絲材實現(xiàn)金屬材料的堆積成型，對于鋁合金而言，由于其高導熱、高反射、易氧化等因素，采用激光能量沉積制造實際上多有不便，但仍然有很多研究正在試圖解決這些制造難題。

5. 電弧增材制造

電弧增材制造以金屬絲為原料、電弧作為熱源，可進行大尺寸金屬零件快速、高效制造。同時，基于該工藝的設備簡單、材料利用率高、成本更低。目前，該工藝已成功用于制造Ti6Al4V、鋼、In718等材料。它可以處理對激光高度反射的金屬，如鋁合金和銅合金，能夠滿足大尺寸鋁合金部件的生產(chǎn)需求。我國航天領域?qū)﹄娀≡霾闹圃熹X合金大型構(gòu)件的應用有多項報道。由于相比于激光更為高效的材料沉積效率，電弧沉積已經(jīng)成為如今制造大型鋁合金構(gòu)件的重要增材制造技術，受到國內(nèi)外航空航天領域用戶的廣泛重視、開發(fā)和應用。

6. 攪拌摩擦增材制造

攪拌摩擦增材制造是基于攪拌摩擦焊的原理發(fā)展而來，該工藝不需要高能熱源也不需要氣體保護，可以使用板材、旋轉(zhuǎn)棒料和粉末規(guī)格的材料，利用攪拌針與連接件的攪拌摩擦產(chǎn)生熱量軟化連接處的材料，再通過軸向的壓力使得材料連接在一起。由于成形過程中不存在金屬的熔化/凝固過程，材料在成形過程中不會產(chǎn)生與熔化相關的熱裂紋、氣孔等冶金缺陷。而正是由于成形溫度低且成形發(fā)生在材料內(nèi)部也不會受外界影響造成材料氧化等問題，生產(chǎn)過程可以在露天環(huán)境中進行，所制造的部件的尺寸顯著增加，適合制造鋁合金大型構(gòu)件，且具有很高的沉積速率，特別適合于航空航天領域，可用于制造燃料貯罐。

7. 冷噴涂

冷噴涂增材制造技術是一種基于高速粒子固態(tài)沉積的涂層制備方法。噴涂粒子在固態(tài)下碰撞基體，經(jīng)過劇烈的塑性變形而沉積形成涂層，同時對基體不形成熱影響，可作為近凈成形技術直接噴涂制備塊材和零部件。冷噴涂是實現(xiàn)鋁合金沉積的重要制造技術，能夠用于大尺寸、高端應用領域的零件修復。

8. 超聲波能量沉積

超聲波增材制造（UAM）是基于傳統(tǒng)的 “超聲波焊接”工藝，利用高頻振動波傳遞到兩個需焊接的物體表面，在加壓的情況下，使兩個物體表面相互摩擦而形成分子層之間的熔合。而當這種焊接方式被應用到3D打印機上時，也就成就了這項新的3D打印工藝——“超聲波增材制造”。能夠?qū)崿F(xiàn)真正冶金學意義上的熔合，并可以使用各種金屬材料如鋁、銅、不銹鋼和鈦等。UAM的制造過程包括通過超聲波逐層連續(xù)焊接金屬片，并不時通過機械加工來實現(xiàn)指定的3D形狀，從而形成堅實的金屬物體。

9. 液態(tài)金屬3D打印

液態(tài)金屬3D打印解決方案通過將鋁合金焊絲熔化，借助磁場精確的將液滴沉積在構(gòu)建平臺上并凝固，實現(xiàn)零件的疊層制造。這是一種基于熔融金屬磁流體動力噴射的打印方法，通過利用磁場感應的壓力梯度噴射液態(tài)金屬液滴。2022年7月，液態(tài)金屬3D打印機被安裝在美軍黃蜂級兩棲攻擊艦第2號艦上——這是美國海軍艦艇上部署的第一臺金屬增材制造裝備。

回顧2022

金屬3D打印技術不斷突破

2月，來自威斯康星大學麥迪遜分校的研究人員發(fā)表了一種通過使用納米粒子來控制激光-粉末床相互作用的不穩(wěn)定性從而消除大飛濺物的方法。研究人員揭示了兩種機制協(xié)同工作以消除所有類型的大飛濺：（1）納米粒子對熔池波動的控制消除了液體破裂引起的大飛濺；(2) 納米粒子對液滴聚結(jié)的控制消除了液滴碰撞引起的大飛濺。同時得出結(jié)論，納米粒子能夠同時穩(wěn)定熔池波動和防止液滴聚結(jié)，為減少金屬增材制造中的缺陷提供了一種潛在方法。

3月，香港理工大學、西北工業(yè)大學和香港中文大學的研究人員提出了粉末基增材制造金屬和合金中多尺度缺陷的類型、形成機制、危害以及控制方法。PBF金屬部件內(nèi)部缺陷可根據(jù)尺寸分為三類：(1) 尺寸缺陷；(2) 表面質(zhì)量缺陷；(3) 顯微組織缺陷；(4) 成分缺陷。為進一步提升PBF金屬部件機械性能及表面質(zhì)量，需對缺陷形成機理及缺陷對成形部件性能影響進行深入探究。

5月，赫瑞瓦特大學、、弗吉尼亞大學和阿貢國家實驗室的科學家組成的團隊使用先進的成像技術，研究了金屬3D打印過程中的材料狀態(tài)，使激光與金屬粒子相互作用時存在的所有物質(zhì)狀態(tài)之間的相互作用實現(xiàn)了可視化，從而為缺陷形成的方式和原因提供了新的見解。

9月，澳大利亞莫納什大學增材制造中心的研究團隊聯(lián)合上海理工大學、中科院金屬所、澳大利亞國立大學、澳大利亞迪肯大學以及美國俄亥俄州立大學利用3D打印技術實現(xiàn)了現(xiàn)有商用鈦合金力學性能的大幅提升，使其達到現(xiàn)有所有3D打印金屬中最高的比強度。研究人員對SLM制造的鈦合金進行了兩種不同溫度的直接時效熱處理，（480°C和520°C熱處理），實現(xiàn)了驚人的強度。

10月，清華大學機械工程系趙滄助理教授在國際物理學界權(quán)威期刊《現(xiàn)代物理評論》發(fā)表了關于金屬激光增材制造激光熔化模式的綜述論文，作者闡述了金屬激光粉末床熔融增材制造中的一般物理過程，著重強調(diào)了兩個關鍵耦合現(xiàn)象：熔化和汽化，匙孔前壁液態(tài)突出物和匙孔失穩(wěn)。這些物理現(xiàn)象驅(qū)動了熔池和匙孔的形貌演化，是激光熔化模式定義的基石。

3D打印鋁材料

量產(chǎn)化、輕量化指日可待

鋁和鋁合金被認為是增材制造發(fā)展到大批量生產(chǎn)應用的下一階段最有潛力的材料之一。這主要是由于與鈦合金等輕量化金屬相比，鋁具有出色的機械性能和低廉的價格。然而，增材制造鋁基零件的工業(yè)化應用仍有很長的一段路要走，這是因為鋁材3D打印面臨的幾個固有挑戰(zhàn)仍未得到有效解決。

近幾個月來，鋁價、產(chǎn)量和供應的大幅波動一直困擾著供應鏈，尤其是在俄烏沖突導致全球緊張局勢加劇的情況下。首先是俄羅斯是全球市場的主要鋁供應商，俄羅斯最大的制造商 RUSAL 供應歐盟 40% 的鋁需求。二是鋁冶煉是一個耗電大的過程，因此受到近期能源緊縮的影響。在某些情況下，增材制造可以通過減少生產(chǎn)某些增材制造零件所需的材料量來為供應鏈彈性運轉(zhuǎn)提供解決方案。

鋁3D打印的一個早期挑戰(zhàn)是，幾乎所有用于增材制造的鋁合金最初都是為鑄造應用而開發(fā)的。事實上，迄今為止增材制造中最常用的鋁合金是AlSi10Mg，這是一種時效強化鋁合金，具有良好的硬度，強度和動態(tài)韌性，傳統(tǒng)上用作鑄造合金。由AlSi10Mg制成的粉末通常用于增材制造，并且最終組件具有高耐腐蝕性，低密度和高機械強度。

對于常見的鋁合金材料，大多數(shù)硬件公司和服務提供商是采取L-PBF技術來進行加工。例如，美國公司VELO3D使用其藍寶石系統(tǒng)開發(fā)了一種由鋁F3制成的357D打印零件的工藝。這為鑄造級鋁合金創(chuàng)造了新的機會，特別是對于航空航天和國防工業(yè)中的薄壁傳熱應用。鋁 F357 被認為是理想的材料，因為它能夠進行陽極氧化，并且與流行的鑄造合金 A357 具有相似特性。

—3D打印鋁質(zhì)部件的應用

隨著金屬開發(fā)商和制造商引入更多增材制造專用鋁和鋁合金材料，金屬3D打印行業(yè)將持續(xù)取得增長。今天，盡管鋁增材制造的應用潛力在很大程度上仍未開發(fā)，但它在某些領域正在取得進展。

—量化鋁材增材制造業(yè)務

在增材制造中采用鋁的主要障礙是使材料適應結(jié)合金屬工藝。粘結(jié)劑噴射（BMP）工藝將成為增材制造鋁合金的最大消費者，因為這些技術的目標是實現(xiàn)具有成本效益的大批量生產(chǎn)。

就金屬增材制造材料需求預測而言，最明顯的變化是鋁合金應用的快速增長。如今，鋁合金是僅次于鋼、鈦和鎳的第四大最受歡迎的合金，249 年出貨量為 7.2021 噸，與36 年相比增長了 +7.2020%。到2030年，它們將成為第三大最受歡迎的合金，屆時它們將占金屬增材制造材料總出貨量的近20%，為5,354噸。如果粘結(jié)劑噴射技術證明能夠熟練地加工鋁以進行批量生產(chǎn)，那么鋁需求的增加可能會更加顯著。

就收入而言，鋁合金是 2020 年第四大材料領域，僅產(chǎn)生 1790 萬美元，到 2021 年增長36.8%，這使我們能夠更好地了解增材制造材料市場的規(guī)模。雖然增長將是顯著的，但由于通過 3D 打印生產(chǎn)零件所需的數(shù)量很少，而且通常通過增材制造生產(chǎn)的零件數(shù)量很少，無論是原型和工具（通常是一次性的）還是小批量生產(chǎn)零件。在目前成熟的金屬增材制造材料中，預計鋁合金的復合年增長率最高，達到 33.3%，其次是鈦、鋼、鎳和鈷合金。

金屬3D打印：安全最重要

從實際制造來說，金屬3D打印的每個階段都會產(chǎn)生不同的污染源（或物質(zhì)）進而會造成特定的危害。金屬3D打印用的金屬粉末，粒徑分布通常為幾十微米，可被吸入肺或肺泡。對于低密度的鈦、鋁及其合金都是反應性金屬，風險尤其大，必須受到粉塵濃度的特定限制；其他金屬粉末，如鋼或其他含鎳合金，則被危險物質(zhì)指令分類為致癌、致突變和生殖毒性材料。對粉末顆粒的長期接觸和吸入會給操作人員身體健康帶來一定隱患。

不僅如此，在組件的打印過程中危險同樣存在，熔化過程產(chǎn)生的廢氣除一部分會被帶入過濾系統(tǒng)，仍可能有一部分被排出到打印系統(tǒng)的外置空間，從而造成室內(nèi)環(huán)境的污染。隨同廢氣的排出，一部分惰性氣體如氮氣尤其是氬氣，也是風險的來源。設備的維護過程，如過濾系統(tǒng)的清潔，其中的粉塵、灰燼比金屬顆粒更加細小，若處理不當，很可能會因為成分的穩(wěn)定性問題發(fā)生火災甚至爆炸。

基于對SLM工藝過程的整體評估，德國Bayreuth大學開發(fā)并評估了粉末防護的特定方案，其重點在于安全防護反應性材料Ti6AlV4。為減少危害而采取的保護措施由STOP原則確定優(yōu)先級順序，實施策略要基于流程、地點以及員工保護等關鍵因素。

金屬粉末的處理必須格外小心，并且在可能的情況下，應在保護性氣氛中進行。目前，全封閉的工藝流程正在被設備制造商所重視，以SLM Solutions為代表的金屬打印機品牌商從粉末的灌裝、清理甚至中途加裝等所有流程均實現(xiàn)了全封閉操作，這種空間分割或封裝最大程度的減少了粉塵的暴露和危害。在這種情況下，3D打印手套箱就成為了一種優(yōu)先的設備選擇。

3D打印安全保護

3D打印技術作為一項前沿性、先導性非常強的新興技術，對傳統(tǒng)制造業(yè)的工藝改造和新材料的廣泛應用具有顛覆性的意義和作用。我們制造的3D打印手套箱（增材制造保護手套箱）針對航空航天特殊零部件的加工所需要的環(huán)境而設計的：3D打印設備一般采用送粉成型或鋪粉成型兩種，每種成型設備其需要的手套箱設計要求不同，為此需要啊根據(jù)不同需求來設計手套箱提供可靠的解決方案。

金屬3D打印惰性氣體保護系統(tǒng)是一套高性能、高品質(zhì)的自動吸收水、氧分子的超級凈化防護手套箱，提供一個純化工作環(huán)境需求的密閉循環(huán)工作系統(tǒng)，可以滿足特定清潔要求應用的1ppm的O2和H2O惰性的氛圍環(huán)境。實現(xiàn)了將選擇性激光溶化裝置本體放置在一密封箱體內(nèi)，該密閉箱體與多級粉塵手機裝置和風循環(huán)裝置形成閉環(huán)，氬氣在該閉環(huán)內(nèi)循環(huán)，系統(tǒng)中的氣氛水含量達到小于1PPM指標，氧含量達到小于1PPM指標，實現(xiàn)超高純工作氣氛的環(huán)境，加工的產(chǎn)品可直接應用，減少再處理環(huán)節(jié)，是一套滿足科研開發(fā)而設計的經(jīng)濟型循環(huán)凈化系統(tǒng)。

技術優(yōu)勢

●解決3D打印手套箱大體積密封的可靠性。

●解決3D打印手套箱信號線及動力線高度集成進箱密封防干擾問題。

●解決3D打印手套箱工作時煙塵凈化問題及過濾器更換周期及壽命問題。

●人性化專業(yè)化設計，箱體外形美觀，箱體上大型門的密封性極好，開啟方便簡單。

●解3D打印手套箱送粉器送粉進氣或鋪粉設備鏡頭吹氣與手套箱箱體壓力控制。