增材制造商转向使用新型铝合金 Aheadd CP1

由于减轻重量是赛车和航空航天等行业的首要任务，许多制造商最近都转向使用轻质铝硅镁合金，如 F357 和 AlSi10Mg，用于 3D 打印赛车、火箭等各种部件。2024年 6 月 7 日，南极熊获悉，一种新型铝合金 Aheadd CP1，在许多增材制造用户中的采用率已经超过了铝硅镁合金。



Aheadd CP1是一种铝锆铁合金，由全球领先的铝产品和解决方案提供商 Constellium 专为金属激光粉末床熔合 (LPBF) 3D 打印机设计。根据具体应用，价格更昂贵的钛合金确实比铝合金具有更好的强度重量比，而铜合金可以提供更好的传热系数，镁合金可能具有较低的密度和更高的电化学电位。但当寻求优化增材制造部件的成本、性能和可制造性时，铝合金可以非常有效地实现这三个目标。通过对多年来一直用于传统铸造的现有材料进行改进，铝镁合金已适用于增材制造，用铝镁合金制成的各种 3D 打印部件在多个行业中表现良好。

Aheadd CP1 合金的优势



CP1 是从头开始创建的，经过量身定制，且在设计时考虑到了增材制造工艺的特定严格性，因此避免了制造商在使用其他铝合金时必须克服的一些挑战。

虽然铝是这些合金的共同点，但 CP1 含有锆和铁，而 F357、AlSi10Mg 和类似合金含有硅和镁。由于固相线温度高且不含镁（更适合钎焊）和硅含量低（会导致焊接时出现孔隙），CP1 正逐渐成为需要与传统材料钎焊或焊时的首选合金。

CP1 的另一个优势是：使用 F357 打印部件后，制造商必须使用三个单独的步骤对部件进行热处理，包括固溶处理、淬火和时效。虽然其他铝硅镁合金（包括 AlSi10Mg）更容易进行热处理，但它们的其他材料特性（包括强度、耐腐蚀性和阳极氧化能力）并不符合许多应用的需求。另一方面，CP1 部件只需要一个四小时的低温处理过程，这可以节省大量时间和成本，并避免在较高温度下处理时可能发生的热变形。除了固有的耐腐蚀性能外，CP1 还表现出高达 300°C 的稳定微观结构，使成品部件能够在热交换器等有价值的高温应用中更好地保​​持性能。

由于 CP1 是各向同性的，Constellium 已证明，用 CP1 制造的部件具有相同的机械特性，无论其几何形状在构建板上如何定向。这简化了设置时间，并使增材制造工程师能够优化其他所需属性，例如表面粗糙度或性能。

CP1 成分的一个重要附带好处是，其一步热处理可沉淀锆和铁相，从而形成几乎纯的铝基体，具有高电导率和热导率。测试表明，其导电性能指标等于或超过了一些更昂贵的非铝合金。（热处理后 CP1 的热导率为 187 W/mK；F357 标准值约为 150 W/mK，标准 AM 钛合金 Ti6Al4V 约为 6.7 W/mK。）

CP1 的种种优势使得其应用领域越来越广泛，如增材制造、半导体和一般工业领域以及赛车运动和航空航天领域。

CP1 在工业领域的实际使用体验



PWR 是一家全球性冷却系统技术供应商（散热器和热交换器），产品适用于高性能赛车运动。PWR 与一级方程式赛车、纳斯卡赛车和其他赛车相关实体密切合作，最近还扩展到电子、军事和航空航天行业。

PWR 增材制造工程师 Toby Maconachie 表示：“增材制造在热交换器制造方面显示出了巨大的潜力，PWR 是第一个采用 Velo3D AM 系统打印铝材的公司。能够将传统技术和增材制造技术结合起来是在竞争激烈的市场中获得优势的一种方式。”PWR 发现，对于最先进的热交换器的最精细内部配置，传统薄箔技术在可实现的最小特征尺寸方面仍然优于 3D 打印技术。但对于其他应用，例如冷却系统中的流体分配，增材制造在复杂几何形状和盘旋内部结构方面更胜一筹。

CP1 的材料特性

PWR 的大部分成功案例都是通过添加材料组装而成的，这促使 PWR 从 F357 转向 CP1，对这些组合组件进行钎焊和快速热处理。PWR 通常采用硬质阳极氧化或化学蚀刻来加工产品，F357 在加工过程中有产生过多“污迹”的问题。Toby Maconachie 表示：“ PWR 从 Constellium 获得 CP1 样品后，首先测试的就是我们可以进行哪些表面处理，测试发现，CP1 基本上与传统组件一样好，因此更容易根据需要进行阳极氧化和蚀刻。”

CP1 的稳定性允许厚层粉末沉积，对于需要厚层粉末沉积的应用，制造商发现从 50 微米层增加到 100 微米层可将总打印时间缩短多达 60%。还可以减少电能消耗并降低每次打印的氩气消耗。Toby Maconachie 表示：”CP1 的这一特性真正改变了游戏规则。过去，增材制造机器的吞吐量和相应的生产成本一直是客户采用增材制造解决方案的主要障碍，但随着打印层厚度达到 100 微米，打印时间显著缩短，增材制造技术有了更大的发挥空间。”

CP1 的发展前景



Toby Maconachie 表示：“将 PWR 现有的两套增材制造系统都换成 CP1 合金系统是件很简单的事。PWR 与 Velo3D 密切合作，确保材料符合生产要求。新合金 CP1 为 PWR 进一步的产品创新打开了大门。2026 年一级方程式赛车规则即将发生变化，重量限制将以不同的方式平衡热性能，增材制造在重量和成本方面可能会具有竞争力。我们PWR 正在与团队合作开发完全集成的增材制造热交换器。”

前进的道路是明确的：国际汽联，一级方程式赛车和其他全球赛车运动的管理机构，最近批准从 2024 赛季开始在一级方程式赛车上使用 Aheadd CP1 合金。