金属铝为原材料的增材制造技术在航空航天于车辆工程的应用

3D打印（也称为增材制造）使用逐层堆积材料的方法从数字模型生产零件，广泛应用于聚合物、金属、混凝土和水凝胶的制造。其中金属增材制造因其相较于传统制造方法（如铸造、成型和机加工）具有零件设计自由，制造出的零件具有重量轻、结构复杂等特点，以及可以对零件进行功能化设计等优势而被广泛用于航空航天、石油天然气、船舶和汽车行业。此外，金属增材制造是一种无需额外工具的制造技术，可以在更短的时间内生产出高精度的全密度金属物体。

△使用铝打印的超轻多孔材料

3D打印中铝合金的应用

AlSi10Mg是一种用于工业3D打印铝的常用铝合金。它的优点是高强度、高韧性、高动态质量、优化的热特性和可建造性。AlSi7Mg是另一种用于航空航天、国防和汽车工业结构部件的高强度钢合金。3D打印AlSi7Mg的主要优点是重量轻、耐腐蚀和高动态承载能力。

3D打印铝合金的研究现状


在最近发表在Ceramics 杂志上的一项研究中，来自中国的研究人员使用直接墨水书写法打印磷酸铝粘结的氧化铝陶瓷。他们发现由于添加了无机粘结剂，Al2O3陶瓷表现出超低的尺寸收缩。

最近的研究探索了3D打印复合材料夹层结构在航空航天工业中的应用。复合材料夹层结构的3D打印可以提高航空航天行业的可持续性和制造灵活性。

在铝中添加纳米材料也是金属3D打印领域的一个最新研究课题。在铝合金中直接混合纳米材料或者在3D打印过程中掺入纳米颗粒都将改善零件的机械性能和热性能。

3D打印铝合金的优势

3D打印铝合金具有以下优点：

可以通过改变微观结构和零件内部的力分布来改变零件的机械性能。对铝合金3D打印的研究表明，与传统方法相比，3D打印针对复杂组件的制造具有更快的速度，同时材料强度更高，延展性更好，也更节省材料。

铝合金增材制造还可以生产高度优化的结构，例如具有内部加固特征的高能量吸收的零件。零件在打印过程中产生的残余应力通过合理的结构设计能够被转化为有利的预应力，但由于其结构复杂程度高、制造成本高、耗时长因而无法使用传统制造方法制造。此外，3D打印的铝合金零件可以与其他零件一起使用，以创建混合结构。

△基于铝原料的3D打印

未来3D打印铝合金的挑战

将铝合金增材制造用于实际工业应用上仍然存在许多挑战。首先，在某些情况下，铝的3D打印比传统生产方法更昂贵。其次，现有的设计方法亟需优化以适应材料属性和多变的目标几何形状。

此外，需要对金属增材制造技术制定标准化的质量规范，以确保制造的零部件在其生命周期中是可靠的。如果这些技术和行业挑战得到解决，铝合金3D打印在各个行业都将有巨大的应用潜力。