金屬工藝匯總

3D打印未來(lái)可期

鋁合金因具比強(qiáng)度高、高導(dǎo)熱、來(lái)源廣、成本低等優(yōu)點(diǎn)，成為汽車(chē)、航空航天、軌道交通等多領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的金屬材料之一。隨著增材制造技術(shù)的快速發(fā)展，多種類(lèi)型的金屬3D打印技術(shù)被用于鋁合金成型研究和應(yīng)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(shì)在于能夠制造高精度、具有良好表面質(zhì)量的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)。這些特點(diǎn)注定了其專(zhuān)有的應(yīng)用領(lǐng)域，如具有更高換熱效率的熱交換器、輕量化的支架、蒙皮點(diǎn)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(lái)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(fù)雜結(jié)構(gòu)且其他工藝難以實(shí)現(xiàn)的零件。

2. 電子束粉末床熔融

限于EBM技術(shù)本身的市場(chǎng)規(guī)模較小，關(guān)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(shù)。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(shì)，如不受反射率的影響、零件表現(xiàn)出較少的熱應(yīng)力，對(duì)于易開(kāi)裂的鋁合金牌號(hào)打印具有較大優(yōu)勢(shì)。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?yàn)槠湟籽趸以诤罄m(xù)的燒結(jié)過(guò)程中易發(fā)生反應(yīng)，這是該工藝打印鋁合金的一大挑戰(zhàn)。實(shí)際上，鋁合金也未廣泛應(yīng)用于MIM行業(yè)。不過(guò)，通過(guò)對(duì)整個(gè)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(chǎng)應(yīng)用潛力是巨大的，可用于電動(dòng)汽車(chē)、電動(dòng)飛機(jī)零部件3D打印制造，創(chuàng)造新的價(jià)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(shí)現(xiàn)金屬材料的堆積成型，對(duì)于鋁合金而言，由于其高導(dǎo)熱、高反射、易氧化等因素，采用激光能量沉積制造實(shí)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(jìn)行大尺寸金屬零件快速、高效制造。同時(shí)，基于該工藝的設(shè)備簡(jiǎn)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(duì)激光高度反射的金屬，如鋁合金和銅合金，能夠滿(mǎn)足大尺寸鋁合金部件的生產(chǎn)需求。我國(guó)航天領(lǐng)域?qū)﹄娀≡霾闹圃熹X合金大型構(gòu)件的應(yīng)用有多項(xiàng)報(bào)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(shù)，受到國(guó)內(nèi)外航空航天領(lǐng)域用戶(hù)的廣泛重視、開(kāi)發(fā)和應(yīng)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(lái)，該工藝不需要高能熱源也不需要?dú)怏w保護(hù)，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(guò)軸向的壓力使得材料連接在一起。由于成形過(guò)程中不存在金屬的熔化/凝固過(guò)程，材料在成形過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生與熔化相關(guān)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(huì)受外界影響造成材料氧化等問(wèn)題，生產(chǎn)過(guò)程可以在露天環(huán)境中進(jìn)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(lǐng)域，可用于制造燃料貯罐。

7. 冷噴涂

冷噴涂增材制造技術(shù)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(guò)劇烈的塑性變形而沉積形成涂層，同時(shí)對(duì)基體不形成熱影響，可作為近凈成形技術(shù)直接噴涂制備塊材和零部件。冷噴涂是實(shí)現(xiàn)鋁合金沉積的重要制造技術(shù)，能夠用于大尺寸、高端應(yīng)用領(lǐng)域的零件修復(fù)。

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(dòng)波傳遞到兩個(gè)需焊接的物體表面，在加壓的情況下，使兩個(gè)物體表面相互摩擦而形成分子層之間的熔合。而當(dāng)這種焊接方式被應(yīng)用到3D打印機(jī)上時(shí)，也就成就了這項(xiàng)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(xué)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(guò)程包括通過(guò)超聲波逐層連續(xù)焊接金屬片，并不時(shí)通過(guò)機(jī)械加工來(lái)實(shí)現(xiàn)指定的3D形狀，從而形成堅(jiān)實(shí)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(guò)將鋁合金焊絲熔化，借助磁場(chǎng)精確的將液滴沉積在構(gòu)建平臺(tái)上并凝固，實(shí)現(xiàn)零件的疊層制造。這是一種基于熔融金屬磁流體動(dòng)力噴射的打印方法，通過(guò)利用磁場(chǎng)感應(yīng)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(jī)被安裝在美軍黃蜂級(jí)兩棲攻擊艦第2號(hào)艦上——這是美國(guó)海軍艦艇上部署的第一臺(tái)金屬增材制造裝備。

回顧2022

金屬3D打印技術(shù)不斷突破

2月，來(lái)自威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的研究人員發(fā)表了一種通過(guò)使用納米粒子來(lái)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(jī)制協(xié)同工作以消除所有類(lèi)型的大飛濺：（1）納米粒子對(duì)熔池波動(dòng)的控制消除了液體破裂引起的大飛濺；(2) 納米粒子對(duì)液滴聚結(jié)的控制消除了液滴碰撞引起的大飛濺。同時(shí)得出結(jié)論，納米粒子能夠同時(shí)穩(wěn)定熔池波動(dòng)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(xué)、西北工業(yè)大學(xué)和香港中文大學(xué)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(lèi)型、形成機(jī)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(lèi)：(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(jìn)一步提升PBF金屬部件機(jī)械性能及表面質(zhì)量，需對(duì)缺陷形成機(jī)理及缺陷對(duì)成形部件性能影響進(jìn)行深入探究。

5月，赫瑞瓦特大學(xué)、、弗吉尼亞大學(xué)和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)使用先進(jìn)的成像技術(shù)，研究了金屬3D打印過(guò)程中的材料狀態(tài)，使激光與金屬粒子相互作用時(shí)存在的所有物質(zhì)狀態(tài)之間的相互作用實(shí)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(jiàn)解。

9月，澳大利亞莫納什大學(xué)增材制造中心的研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合上海理工大學(xué)、中科院金屬所、澳大利亞國(guó)立大學(xué)、澳大利亞迪肯大學(xué)以及美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)利用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)有商用鈦合金力學(xué)性能的大幅提升，使其達(dá)到現(xiàn)有所有3D打印金屬中最高的比強(qiáng)度。研究人員對(duì)SLM制造的鈦合金進(jìn)行了兩種不同溫度的直接時(shí)效熱處理，（480°C和520°C熱處理），實(shí)現(xiàn)了驚人的強(qiáng)度。

10月，清華大學(xué)機(jī)械工程系趙滄助理教授在國(guó)際物理學(xué)界權(quán)威期刊《現(xiàn)代物理評(píng)論》發(fā)表了關(guān)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(guò)程，著重強(qiáng)調(diào)了兩個(gè)關(guān)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(dòng)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(rèn)為是增材制造發(fā)展到大批量生產(chǎn)應(yīng)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(jī)械性能和低廉的價(jià)格。然而，增材制造鋁基零件的工業(yè)化應(yīng)用仍有很長(zhǎng)的一段路要走，這是因?yàn)殇X材3D打印面臨的幾個(gè)固有挑戰(zhàn)仍未得到有效解決。

近幾個(gè)月來(lái)，鋁價(jià)、產(chǎn)量和供應(yīng)的大幅波動(dòng)一直困擾著供應(yīng)鏈，尤其是在俄烏沖突導(dǎo)致全球緊張局勢(shì)加劇的情況下。首先是俄羅斯是全球市場(chǎng)的主要鋁供應(yīng)商，俄羅斯最大的制造商 RUSAL 供應(yīng)歐盟 40% 的鋁需求。二是鋁冶煉是一個(gè)耗電大的過(guò)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(guò)減少生產(chǎn)某些增材制造零件所需的材料量來(lái)為供應(yīng)鏈彈性運(yùn)轉(zhuǎn)提供解決方案。

鋁3D打印的一個(gè)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(yīng)用而開(kāi)發(fā)的。事實(shí)上，迄今為止增材制造中最常用的鋁合金是AlSi10Mg，這是一種時(shí)效強(qiáng)化鋁合金，具有良好的硬度，強(qiáng)度和動(dòng)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(jī)械強(qiáng)度。

對(duì)于常見(jiàn)的鋁合金材料，大多數(shù)硬件公司和服務(wù)提供商是采取L-PBF技術(shù)來(lái)進(jìn)行加工。例如，美國(guó)公司VELO3D使用其藍(lán)寶石系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了一種由鋁F3制成的357D打印零件的工藝。這為鑄造級(jí)鋁合金創(chuàng)造了新的機(jī)會(huì)，特別是對(duì)于航空航天和國(guó)防工業(yè)中的薄壁傳熱應(yīng)用。鋁 F357 被認(rèn)為是理想的材料，因?yàn)樗軌蜻M(jìn)行陽(yáng)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(yīng)用

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

—量化鋁材增材制造業(yè)務(wù)

在增材制造中采用鋁的主要障礙是使材料適應(yīng)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(fèi)者，因?yàn)檫@些技術(shù)的目標(biāo)是實(shí)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(yù)測(cè)而言，最明顯的變化是鋁合金應(yīng)用的快速增長(zhǎng)。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(zhǎng)了 +7.2020%。到2030年，它們將成為第三大最受歡迎的合金，屆時(shí)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(jìn)行批量生產(chǎn)，那么鋁需求的增加可能會(huì)更加顯著。

就收入而言，鋁合金是 2020 年第四大材料領(lǐng)域，僅產(chǎn)生 1790 萬(wàn)美元，到 2021 年增長(zhǎng)36.8%，這使我們能夠更好地了解增材制造材料市場(chǎng)的規(guī)模。雖然增長(zhǎng)將是顯著的，但由于通過(guò) 3D 打印生產(chǎn)零件所需的數(shù)量很少，而且通常通過(guò)增材制造生產(chǎn)的零件數(shù)量很少，無(wú)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(yù)計(jì)鋁合金的復(fù)合年增長(zhǎng)率最高，達(dá)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(shí)際制造來(lái)說(shuō)，金屬3D打印的每個(gè)階段都會(huì)產(chǎn)生不同的污染源（或物質(zhì)）進(jìn)而會(huì)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(duì)于低密度的鈦、鋁及其合金都是反應(yīng)性金屬，風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)物質(zhì)指令分類(lèi)為致癌、致突變和生殖毒性材料。對(duì)粉末顆粒的長(zhǎng)期接觸和吸入會(huì)給操作人員身體健康帶來(lái)一定隱患。

不僅如此，在組件的打印過(guò)程中危險(xiǎn)同樣存在，熔化過(guò)程產(chǎn)生的廢氣除一部分會(huì)被帶入過(guò)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?dú)庥绕涫菤鍤猓彩秋L(fēng)險(xiǎn)的來(lái)源。設(shè)備的維護(hù)過(guò)程，如過(guò)濾系統(tǒng)的清潔，其中的粉塵、灰燼比金屬顆粒更加細(xì)小，若處理不當(dāng)，很可能會(huì)因?yàn)槌煞值姆€(wěn)定性問(wèn)題發(fā)生火災(zāi)甚至爆炸。

基于對(duì)SLM工藝過(guò)程的整體評(píng)估，德國(guó)Bayreuth大學(xué)開(kāi)發(fā)并評(píng)估了粉末防護(hù)的特定方案，其重點(diǎn)在于安全防護(hù)反應(yīng)性材料Ti6AlV4。為減少危害而采取的保護(hù)措施由STOP原則確定優(yōu)先級(jí)順序，實(shí)施策略要基于流程、地點(diǎn)以及員工保護(hù)等關(guān)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(yīng)在保護(hù)性氣氛中進(jìn)行。目前，全封閉的工藝流程正在被設(shè)備制造商所重視，以SLM Solutions為代表的金屬打印機(jī)品牌商從粉末的灌裝、清理甚至中途加裝等所有流程均實(shí)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(shè)備選擇。

3D打印安全保護(hù)

3D打印技術(shù)作為一項(xiàng)前沿性、先導(dǎo)性非常強(qiáng)的新興技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng)制造業(yè)的工藝改造和新材料的廣泛應(yīng)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(hù)手套箱）針對(duì)航空航天特殊零部件的加工所需要的環(huán)境而設(shè)計(jì)的：3D打印設(shè)備一般采用送粉成型或鋪粉成型兩種，每種成型設(shè)備其需要的手套箱設(shè)計(jì)要求不同，為此需要啊根據(jù)不同需求來(lái)設(shè)計(jì)手套箱提供可靠的解決方案。

金屬3D打印惰性氣體保護(hù)系統(tǒng)是一套高性能、高品質(zhì)的自動(dòng)吸收水、氧分子的超級(jí)凈化防護(hù)手套箱，提供一個(gè)純化工作環(huán)境需求的密閉循環(huán)工作系統(tǒng)，可以滿(mǎn)足特定清潔要求應(yīng)用的1ppm的O2和H2O惰性的氛圍環(huán)境。實(shí)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(jí)粉塵手機(jī)裝置和風(fēng)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(dá)到小于1PPM指標(biāo)，氧含量達(dá)到小于1PPM指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)超高純工作氣氛的環(huán)境，加工的產(chǎn)品可直接應(yīng)用，減少再處理環(huán)節(jié)，是一套滿(mǎn)足科研開(kāi)發(fā)而設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)型循環(huán)凈化系統(tǒng)。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)

●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(hào)線(xiàn)及動(dòng)力線(xiàn)高度集成進(jìn)箱密封防干擾問(wèn)題。

●解決3D打印手套箱工作時(shí)煙塵凈化問(wèn)題及過(guò)濾器更換周期及壽命問(wèn)題。

●人性化專(zhuān)業(yè)化設(shè)計(jì)，箱體外形美觀(guān)，箱體上大型門(mén)的密封性極好，開(kāi)啟方便簡(jiǎn)單。

●解3D打印手套箱送粉器送粉進(jìn)氣或鋪粉設(shè)備鏡頭吹氣與手套箱箱體壓力控制。