|
根據SmarTech的預測，鋁合金占金屬3D打印中所有金屬粉末的消耗量（按體積計算）從2014年的5.1%逐漸提高到2026年的11.7%左右，鋁合金在汽車(chē)行業(yè)的10年復合增長(cháng)率在51.2 %。
在汽車(chē)制造領(lǐng)域，鋁合金是實(shí)現輕量化的主力軍，著(zhù)名咨詢(xún)公司達科國際公布的研究數據表明，歐洲汽車(chē)平均用鋁量自1990年已經(jīng)翻了三倍，由50kg增長(cháng)到目前的151kg，并將在2025年增長(cháng)至196kg。[1]
輕量化并不僅僅是要求減重，而是要做到車(chē)輛的性能、安全、成本和重量四者之間的平衡。[1] 汽車(chē)鋁合金零部件制造的要求包括滿(mǎn)足碰撞性能，在不同情況下的有效性等。但當前的鋁合金增材制造工藝設計，主要是可以制造具有高抗性但并非高韌性的材料，而高斷裂延伸率對于滿(mǎn)足汽車(chē)碰撞時(shí)的性能要求尤其重要。
根據3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀(guān)察，德國汽車(chē)領(lǐng)域的工程企業(yè)EDAG聯(lián)合材料、科研、增材制造、仿真領(lǐng)域的八家合作伙伴，正在開(kāi)發(fā)一款具有更高強度和更高的斷裂延伸率的輕型防撞3D打印鋁合金材料。
 用輕型防撞鋁合金材料3D打印的汽車(chē)零件。來(lái)源：EDAG 不僅僅是輕量化在過(guò)去三年中，EDAG與合作伙伴研究了包括粉末制造、仿真模擬、零件開(kāi)發(fā)在內的完整鋁合金增材制造工藝鏈。
在八家合作伙伴中，Fraunhofer研究所（ IAPT）、GE 增材制造（GE Additive）開(kāi)展的工作是基于粉末床激光熔化（LBM）技術(shù)進(jìn)行這種新型鋁合金材料的增材制造工藝開(kāi)發(fā)。Fraunhofer研究所（ ITWM）對增材制造過(guò)程中材料快速冷卻進(jìn)行了仿真模擬。汽車(chē)制造商梅賽德斯·奔馳和EDAG在仿真企業(yè)Altair的支持下，開(kāi)展了性能仿真。
以上一些列圍繞著(zhù)新型鋁合金材料增材制造工藝鏈的研究，目標是實(shí)現輕量化汽車(chē)零部件的批量生產(chǎn)。EDAG 與項目合作伙伴在實(shí)驗階段，研究了不同的合金材料，最能夠滿(mǎn)足實(shí)現目標需求的材料已在不同的激光熔化3D打印系統上進(jìn)行了測試。
根據EDAG，合金的獨特之處在于它的多功能性，單一合金可以創(chuàng )造出廣泛的性能，這些特性可以通過(guò)下游熱處理工藝靈活地調節。EDAG 根據確定的材料參數生成材料圖，并使用Altair OptiStruct軟件進(jìn)行結構優(yōu)化，減少等冪部件的重量，以及考慮增材制造過(guò)程中的要求。
EDAG 選擇了多種汽車(chē)零部件進(jìn)行優(yōu)化，結果表明，動(dòng)態(tài)高負荷的輪架和輪拱區域中具有高剛度要求的復雜組件也能夠實(shí)現有效的減重。其中部分組件減重達30%，超出了預期。由于這些零部件的制造方式是金屬3D打印技術(shù)，可以靈活滿(mǎn)足批量定制生產(chǎn)，因此這些組件均可以根據不同車(chē)輛的負載水平要求進(jìn)行設計。
新型鋁合金研發(fā)合伙伙伴對這一鋁合金材料給出了積極的肯定，該材料將在幾個(gè)月后上市，商標為 CustAlloy®。EDAG表示，CustAlloy®在強度、延展性、防腐蝕性等方面滿(mǎn)足汽車(chē)行業(yè)的要求，并將成為一款適合汽車(chē)輕量化、防碰撞零部件批量生產(chǎn)的3D打印材料。EDAG 針對這款材料開(kāi)發(fā)的增材制造工藝和經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗的仿真模擬方法，都是幫助用戶(hù)使用這款材料進(jìn)行零部件批量生產(chǎn)的有效工具。
3D科學(xué)谷Review
3D打印技術(shù)可以解決極端復雜的精密構件加工制造難題，在隨形內流道、復雜薄壁、點(diǎn)陣鏤空、復雜內腔、多部件集成等復雜結構問(wèn)題上有先天優(yōu)勢，是3D打印技術(shù)快速發(fā)展的重要領(lǐng)域。
在3D打印鋁合金的應用中，由于傳統鋁合金的成形特點(diǎn)，大部分牌號不適用于3D打印，僅有適用于3D打印的幾種鑄鋁牌號合金，例如AlSi10Mg、AlSi7Mg。[2]
根據3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀(guān)察，在2019年，鋁合金3D打印材料取得了顯著(zhù)的進(jìn)展，主要體現在新型高強度3D打印鋁合金材料的出現。以下三種高強度鋁合金新材料頗為典型：
蘇州倍豐創(chuàng )始人、澳大利亞工程院吳鑫華院士領(lǐng)導的莫納什大學(xué)研究團隊成功開(kāi)發(fā)出了牌號為Al250C 的高強高韌增材制造專(zhuān)用鋁合金材料，該材料強度達到目前可用于3D打印的鋁合金材料中最高水平，屈服強度可達580MPa，抗拉強度590MPa以上，延伸率可達11%，用該材料制作航空鋁合金3D打印結構件，更有希望替代目前航空航天上的部分鈦合金構件，達到航天航空領(lǐng)域降低重量與節約成本的目的。
英國的鑄造企業(yè)Aeromet International 通過(guò)鋁合金粉末A20X所制造的零件已經(jīng)超過(guò)500MPa的極限拉伸強度（UTS）。Aeromet 稱(chēng)，這一成就使的該鋁合金材料成為“市售的用于增材制造的最強鋁合金粉末之一”。
HRL實(shí)驗室在2019年10月，將開(kāi)發(fā)的3D打印用高強度7A77.60L鋁粉正式投放市場(chǎng)。成型后的材料無(wú)裂紋、等軸（即晶粒在長(cháng)度、寬度和高度上大致相等），實(shí)現了細晶粒微觀(guān)結構，并與鍛造材料具有相當的材料強度，3D打印的鋁合金材料平均屈服強度高達580 MPa，極限強度超過(guò)600 MPa，平均延伸率超過(guò)8％。
新出現的高強度鋁合金3D打印材料，側重于在航空航天高附加值零件制造中的應用。對于汽車(chē)制造領(lǐng)域而言，常用鋁合金材料成本較低，但目前金屬3D打印仍屬于成本高的技術(shù)，這似乎成為鋁合金3D打印技術(shù)在汽車(chē)零部件批量生產(chǎn)中應用的阻力。
然而，從EDAG 在過(guò)去幾年中所開(kāi)展的汽車(chē)零部件3D打印項目中可以看到，EDAG 致力于開(kāi)發(fā)具有顛覆性的新一代車(chē)輛以及一些高附加值汽車(chē)零部件，例如EDAG 與德國博世合作設計的概念車(chē)Soulmate, 其輕量化車(chē)身由3D打印“骨架結構” 和一層輕薄的覆蓋外層所構成，其中的3D打印“骨架結構” 制造方式也為粉末床激光熔化工藝。
在3D科學(xué)谷看來(lái)，EDAG 即將推出的 CustAlloy® 3D打印鋁合金材料，或將面向在設計上極具顛覆性的下一代車(chē)輛。當然，由于目前該材料的價(jià)格，以及強度、延伸率等具體性能尚未浮出水面，3D科學(xué)谷將對該材料的市場(chǎng)競爭力繼續保持市場(chǎng)觀(guān)察。
參考資料：
[1] 材料牛.《鋁合金：汽車(chē)輕量化的主力》
[2] 北京寶航新材料. 《性能優(yōu)良的鋁合金材料，如何突破3D打印瓶頸？》
|
