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3D打印鋁:未來可實現(xiàn)輕量化、大批量生產(chǎn)應用的新材料

3D打印動態(tài)
2023
01/31
21:28
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導讀: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。

△Equispheres的鋁合金粉末放大到100微米

與此同時,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打印的材料和技術(shù)

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。

常見的增材制造和相關技術(shù)的商用鋁合金材料
資料來源:3dpbm Research
****:代表開發(fā)中

用于激光粉末床熔融(L-PBF)的鋁材料

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(shù)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。大約在同一時間,作為霍尼韋爾和SLM Solutions合作的一部分,新開發(fā)的鋁合金F357參數(shù)包AlSi7Mg0,6(A357的新型無鈹版本)與通過壓鑄生產(chǎn)的零件相比,材料性能有了顯著改善。霍尼韋爾與SLM Solutions于2019年宣布合作開發(fā)基于具有高層厚度的金屬粉末床融合3D打印,旨在減少制造時間和生產(chǎn)3D打印飛機部件的成本,以滿足航空航天工業(yè)的要求。

△A20X是專門為增材制造而開發(fā)的。現(xiàn)在,ALTANA集團旗下的ECKART在收購了原始材料開發(fā)商AMT后,在全球范圍內(nèi)進行了商業(yè)化。

直到最近,增材制造專用鋁合金才開始在市場上得到采用。第一個也是最受歡迎的是Scalmalloy,它是由航空航天專家APWORKS(現(xiàn)在是Premium AEROTEC的一部分)開發(fā)和銷售的。在全球范圍內(nèi),具備Scalmalloy制造能力的服務提供商多是一些金屬增材制造巨頭,如3T和Zare(被BEAMIT收購),SauberEngineering,Metron,https://www.3dprintingbusiness.directory/company/toolcraft/,PolyShape(現(xiàn)在是AddUp的一部分),Pankl和Quadrus Corporation。

另一種流行的增材制造鋁合金材料是A20X,它是專門為增材制造而開發(fā)的,可以提供高達511 MPa的抗拉強度,高達440 MPa的屈服強度和高達13%的斷裂伸長率。A20X在收購原始材料開發(fā)商AMT后,由阿爾塔納集團旗下的ECKART在全球范圍內(nèi)商業(yè)化。

電動摩托車車架,也由APWORKS使用其scalmalloy合金打印

在俄烏沖突之前,全球最大的鋁制造商之一RUSAL推出了用于增材制造鋁的ALLOW系列鋁產(chǎn)品,其中包括鑄造合金和專為增材制造工藝開發(fā)的幾種合金,并針對可持續(xù)性和低能耗需求進行了優(yōu)化。其中包括RS-230 AlCu(一種耐熱裂的2xxx系列合金)和RS-390 AlSiNi合金,適用于高達250°C的應用;以及RS 507 AlMg和RS-553AlMgSc合金,它們是耐腐蝕的高強度材料,售價明顯低于Scalmalloy。雖然威脅要全面禁止俄羅斯鋁尚未生效,但目前尚不清楚RUSAL鋁粉的商業(yè)前景是什么,畢竟該公司生產(chǎn)的鋁占全球鋁的6%。

2020年,法國公司Constellium推出了用于L-PBF的新一代優(yōu)化高性能鋁粉Aheadd。其中,Aheadd CP1 (Al-Zr-Fe) 是需要高電導率和提高生產(chǎn)率時的首選解決方案。超前HT1(鋁-錳-鎳-銅-鋯)是滿足高溫和強度要求的解決方案。

除了A20X,ALLOW和Aheadd以外,來自加拿大的電力制造商Equispheres也同步推出了用于增材制造的高性能、高精細鋁粉產(chǎn)品(這是每種產(chǎn)品的品牌名稱及其預期用途)。該公司開發(fā)了完全均勻、完美的球形粉末,提高了增材制造中的工藝可靠性、生產(chǎn)速度和零件性能,瞄準了大批量、輕量化增材制造零件的機會。Equispheres還與TRUMPF,LockheedMartin,Aconity3D和Morf3D合作,以加速開發(fā)。

鋁材料的粘結(jié)劑噴射

Equisphere的鋁粉無需改性或添加劑即可燒結(jié)。這在粘結(jié)劑噴射打印機平臺上提供了性能優(yōu)勢。粘結(jié)劑噴射工藝被譽為將增材制造提升到新水平的突破性技術(shù),這些固有的燒結(jié)鋁粉將為輕量化零件的大規(guī)模生產(chǎn)打開大門。

這就引出了鋁粘結(jié)劑噴射的新話題。隨著金屬PBF工藝通過更大,更快和更自動化的系統(tǒng)變得越來越高效,鋁合金的采用和需求預計將顯著增長。然而,在增材制造中廣泛采用鋁的一個主要挑戰(zhàn)是,高通量粘結(jié)劑噴射是能夠?qū)崿F(xiàn)大批量生產(chǎn)的制造工藝,而鋁的低成本又能夠?qū)⑦@一優(yōu)勢充分放大。在材料開發(fā)方面,高通量粘結(jié)劑噴射所使用的材料最初多是從用于注射成型(MIM)工藝的金屬材料調(diào)整過來,但鋁及其合金的粘結(jié)劑噴射技術(shù)卻遲遲未得到發(fā)展。

采用6061材料 3D 打印的具有高分辨率和幾何形狀的鋁制發(fā)動機缸體模型,是通過福特和 ExOne(現(xiàn)為 Desktop Metal 的一部分)聯(lián)合開發(fā)的新型粘合劑噴射 3D 打印和燒結(jié)工藝(正在申請專利)制造

與傳統(tǒng)MIM一樣,在粘結(jié)劑噴射中,金屬粉末首先與粘合劑混合,以使其可模塑或增材制造零件。然后將生坯部分在熔爐中燒結(jié)。粘合劑被去除,氧化層被加熱減少。金屬粉末連接形成固體物體。鋁的燒結(jié)具有挑戰(zhàn)性,因為顆粒周圍的氧化層只能在極高的溫度下去除,而鋁的熔點相對較低,這限制了最高燒結(jié)溫度。因此,在整個金屬片熔化之前去除鋁粉上的氧化層是非常具有挑戰(zhàn)性的。

這個問題的解決方案已經(jīng)探索了好幾年,但鋁作為粘合劑可噴射材料的完全商業(yè)化仍然遙不可及。然而,今天,這種情況可能正在改變。2021年初,兩家粘結(jié)劑噴射公司Desktop Metal和ExOne(現(xiàn)已合并)分別在鋁6061燒結(jié)方面取得了重大突破,并采用粘結(jié)劑噴射技術(shù)生產(chǎn)出了相關材質(zhì)的零件。

Desktop Metal開發(fā)的新型鋁6061粉末能夠完成燒結(jié),并且比以前鋁燒結(jié)的技術(shù)有了顯著改進,該技術(shù)需要涂覆粉末顆粒,將燒結(jié)助劑混合到粉末中,使用含有昂貴納米顆粒的粘合劑或添加鉛,錫和鎂等金屬。至關重要的是,Desktop Metal 的粉末還能夠與水性粘合劑相容,并且與其他市售 6061 鋁粉末相比具有更高的最小點火能量(MIE),從而提高了安全性。Desktop Metal和Uniformity Labs正在努力驗證粉末和規(guī)模生產(chǎn)的商業(yè)可行性。一旦完全合格,Uniformity6061鋁將可用于桌面金屬生產(chǎn)系統(tǒng)平臺。

鋁作為粘結(jié)劑噴射材料的潛力是巨大的,理光迄今為止將其整個金屬增材制造戰(zhàn)略集中在這一特定領域。雖然其技術(shù)尚未上市,但它已經(jīng)證明了生產(chǎn)復雜和相當大的零件的能力。


可用于動態(tài)固結(jié)的鋁材料

另一家來自澳大利亞的SPEE3D公司通過其超音速3D沉積技術(shù)支持(非球形)鋁粉(包括6061、5056和7075)的高速、大幅面3D打印,這是一種動力學固結(jié)(又名冷噴涂粉末)。這是專利工藝的名稱,其中渦輪噴嘴將空氣加速到音速的三倍,將金屬粉末注入其中,然后沉積到由六軸機械臂操縱的基板上。在這個過程中,顆粒相互撞擊的絕對動能導致粉末結(jié)合在一起,形成具有優(yōu)于鑄造的冶金性能的高密度部件。

以線材為原料的3D打印鋁

鋁合金也可以被證明是高通量WAAM(線弧增材制造)工藝中具有價值且極具成本效益的材料。在各種類型的WAAM技術(shù)中使用各種鋁合金目前是一個活躍的研究領域。最近的研究表明,最有前途的合金是AlLi,AlCu,Al-Mg,AlZnMgCu,AlCuMg,AlSiMg,AlMgSi和AlMgMn/AlMg5Mn(由于其高強度和耐腐蝕性,這些合金特別受關注)。全球幾家基于線材的金屬DED公司也將鋁列為了關鍵材料。

AML3D是一家通過Arcemy系統(tǒng)銷售WAM(線材增材制造)技術(shù)的澳大利亞公司,該公司支持使用多種線材形式的鋁合金,特別是2319、4043、5183、5183(0.2%Sc)、5356和5087。WAM工藝的特點是直接能量沉積的3D打印標準,與其他送絲金屬打印技術(shù)(如電子束,線材饋送激光和激光燒結(jié)工藝)相比,WAM可用于使用局部惰性氣體在開放的自由形式制造環(huán)境中打印金屬零件,從而降低制造成本,同時改善材料性能。

△AML3D的大幅面Arcemy系統(tǒng)

MX3D 是荷蘭 WAAM 技術(shù)的領導者,以多種備受矚目的應用而聞名,該公司對其WAAM技術(shù)兼容的各種鋁材料進行了認證(可通過生產(chǎn)服務和 M1 硬件系統(tǒng)獲得)。其中包括線材形式的AlSi10Mg(4046)和AlSi7Mg(4018)以及5356和5087。WAAM3D是一家英國公司,最近憑借先進且高度自動化的roboWAAM系統(tǒng)進入市場,還提供鋁質(zhì)線材(2024和5087)。

這些合金被列為WAAM1D的CMT-WAAM(冷金屬噴涂)工藝的“3級”材料,這意味著該公司已設置了特定于材料的主要工藝參數(shù),以確保打印正確的幾何形狀,沒有缺陷。它們也可作為WAAM0D的PTA-WAAM(等離子轉(zhuǎn)移弧)工藝的“3級”材料提供,這意味著用戶必須為自己的研發(fā)選擇工藝參數(shù)。

△MX3D團隊慶祝 M1 系統(tǒng)于 2021 年推出,該系統(tǒng)已在汽車和海事領域得到采用。

Meltio是一家快速增長的公司,銷售高速,低成本,主要開發(fā)基于金屬線的增材制造系統(tǒng),目前該公司支持的材料中不提供鋁。同樣值得注意的是,施樂最近放棄了其ElemX項目,該項目基于液態(tài)金屬打印方法,并將鋁作為該技術(shù)應用和增長戰(zhàn)略的主要材料。

在美國,MELD是一家專注于國防應用的成長型初創(chuàng)公司,它開發(fā)了一種固態(tài)工藝(意味著材料在此過程中不會達到熔化溫度),以生產(chǎn)具有低殘余應力和全密度的高質(zhì)量材料和零件,并且比傳統(tǒng)的基于聚變的工藝具有更低的能源需求。MELD工藝能夠以金屬增材制造市場上尚未見過的規(guī)模打印大型金屬零件,并且沉積材料的速度至少比基于熔融的金屬增材工藝快10倍。MELD的第一臺商用機器B8使用實心金屬棒,但也可以組合不同的粉末來制造金屬基復合材料(MMC),如Al-SiC,Al-Fe,Al-W,Al-Mo。

來自英國WAAM3D的新roboWAAM系統(tǒng)

在材料供應商中,voestalpine Böhler的增材制造材料組合包括用于WAAM的非指定鋁線。然而,鋁材料在WAAM技術(shù)中的生產(chǎn)仍然經(jīng)常受到孔隙率和凝固裂紋等缺陷的限制,這些缺陷會嚴重限制組件的機械性能,例如組件強度或延展性。最近,一家名為Fortium Metals的初創(chuàng)公司以Elementum 3D的經(jīng)驗為基礎進入市場,專注于用于增材制造的金屬線材。該公司專注于通過解決熱撕裂和熱裂紋問題,提供“焊接不可焊接的理想冶金”,包括1xxx、2xxx、6xxx 和 7xxx 系列鋁。

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。

Scalmalloy是專門為航空航天應用開發(fā)的,并具有滿足苛刻應用環(huán)境的特性。鋁鎂鈧粉末合金具有較高的強度重量比,良好的延展性和耐腐蝕性。與拓撲優(yōu)化結(jié)合使用,該材料可以提供輕量化、高性能的飛機部件。還值得一提的是,早在 2016 年,APWORKS 就使用這種鋁合金打造了一款 3D 打印摩托車 Light Rider。

梅賽德斯奔馳卡車上使用的3D打印鋁制備件。

在汽車和賽車運動領域,鋁合金3D打印技術(shù)正在得到應用。一個值得注意的例子是BMW i8 Roadster上的車窗導軌。金屬部件由鋁合金制成,重量比通常使用的注塑成型塑料部件輕,但仍然要硬得多。它的重要性已經(jīng)得到了Altair Enlighten獎的認可。另一個關鍵應用是梅賽德斯奔馳3D打印2017年卡車部門的首批備件之一。另一項關鍵舉措也可以追溯到2017年,戴姆勒,EOS和Premium Aerotec合作伙伴參與了NextGen AM項目,其主要目標是推進工業(yè)3D打印過程的自動化,特別關注工業(yè)3D打印用鋁材的資格認定。該項目于2019年結(jié)束,因為兩家公司表示他們已經(jīng)獲得了重要的見解。

賽車運動是增材制造的另一個高增長領域,鋁質(zhì)部件可以發(fā)揮作用。2020 年,一級方程式賽車批準在 1 賽季使用兩種 Elementum 3D 鋁粉(A6061-RAM1 和 A2024-RAM2)。Elementum 3D 的 A6061-RAM2 合金也被航空航天初創(chuàng)公司 Masten Space Systems 用于生產(chǎn) 3D 打印電子泵。

△Czinger21超級跑車由Divergent與SLM Solutions合作開發(fā),每輛車上都有多達350個3D打印部件,其中大部分是用鋁合金制成的。

豪華和超級跑車汽車領域仍然是鋁3D打印技術(shù)最容易得到應用的領域,特別是L-PBF技術(shù)。最值得注意的是Divergent和SLM Solutions在Czinger21超級跑車上的持續(xù)合作,每輛車上有多達350個3D打印部件,其中大部分是用鋁合金制成的。

在汽車領域同樣值得注意的是德國EDAG集團,該集團于2020年與八個合作伙伴合作開發(fā)了用于3D打印汽車零件的鋁合金。金屬CustAlloy被設計為“防撞”功能,并具有比其他增材制造鋁材料更高的強度和斷裂伸長率。著眼于在大眾市場汽車中更廣泛的應用,福特和粘結(jié)劑噴射專家ExOne(現(xiàn)在是Desktop Metal的一部分)開發(fā)了一種使用粘合劑噴射3D打印鋁6061的方法,并燒結(jié)它。該工藝能夠生產(chǎn)密度為99%的零件,并正在申請專利。

鋁合金在工業(yè)領域也有無數(shù)的應用,包括熱交換器和散熱器的生產(chǎn)。澳大利亞增材制造公司ConfluxTechnology展示了如何使用增材制造和鋁合金生產(chǎn)更高效的熱交換器。具體來說,該公司展示了使用EOS M3 290D打印機和EOS的AlSi3Mg材料制造的10D打印熱交換器,F(xiàn)在獲得專利的熱交換器在一系列行業(yè)中具有各種應用,包括航空航天,汽車,石油和天然氣,化學加工和微處理器冷卻。

△MELDManufacturing首席執(zhí)行官Naci Hardwick與金屬3D打印部件。資料來源:MELD制造公司LinkedIn

基于電線的大幅面應用(主要通過WAAM技術(shù))包括鋁龍骨項目,這是KM Yachtbuilders和MX3D之間正在開展的合作項目的一部分,旨在為海事行業(yè)研究和3D打印鋁制零件。鋁制3D打印龍骨是使用該公司的機器人WAAM(線弧增材制造)工藝生產(chǎn)的。最近的另一個項目是MX3D推出了一款3D打印的鋁制自行車Arc Bike II。

說到大幅面鋁打印零件,迄今為止最大的是由MELD制造公司生產(chǎn)的。這家美國公司使用其獨特的摩擦固結(jié)3D打印工藝,通過使用現(xiàn)成的鋁條打印一個十英尺(3.05米)直徑的鋁筒來展示其露天能力的可擴展性。

△MX3D為KM游艇制造商提供的鋁制3D打印龍骨

量化鋁材增材制造業(yè)務

通過審核當今市場上的每一種增材制造產(chǎn)品,3dpbm Research根據(jù)每個主要材料系列的出貨量記錄,對金屬增材制造市場進行了最準確的概述。這為最近發(fā)布的金屬增材制造市場趨勢和機遇報告中特定材料系列的10年預測提供了基礎。


該報告顯示,增材制造中增長最快的材料系列是鋁和銅。鋁已經(jīng)廣泛用于粉末增材制造工藝,但直到最近,市場上幾乎所有的鋁增材制造粉,包括最受歡迎的AlSi10Mg,都是適用于增材制造工藝的鑄造合金。從APWORKS于2016年推出的Scalmalloy和專門為AM開發(fā)的新一代鋁合金A20X開始進入市場。

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(shù)的目標是實現(xiàn)具有成本效益的大批量生產(chǎn)。但是BMP工藝仍需要在熔爐中燒結(jié)生坯部件的步驟,這仍然是一個挑戰(zhàn),現(xiàn)在才開始得到解決。

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(shù)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。

考慮到這一點,從各種潛在的應用和用途中可以清楚地看出,鋁增材制造注定會在這十年內(nèi)飛速增長。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。這將使鋁及其合金在預測期結(jié)束時成為第三大最相關的收入機會,到 2030 年將產(chǎn)生 3.21 億美元的年銷售額(增長超過 1700%)。


*本文部分摘譯自 3dpbmResearch 的 2020-2030 年金屬增材制造市場趨勢和機遇報告,該報告已更新以反映出現(xiàn)的最新產(chǎn)品和趨勢,有興趣的朋友可點擊此處獲取下載鏈接:https://www.3dpbm.com/product/metal-am-market-opportunities-and-trends/



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