美國(guó)奧本大學(xué)深入研究構(gòu)建方向?qū)?D打印鋁件結(jié)構(gòu)完整性的影響

導(dǎo)讀：在眾多金屬粉末材料的3D打印中，鋁合金粉末似乎是一個(gè)特別的存在。這與鋁合金粉末具本身的理化性能有很大關(guān)系，微細(xì)鋁合金粉末可燃、易氧化、吸潮的屬性給它的生產(chǎn)、存儲(chǔ)和運(yùn)輸都帶來(lái)了巨大的麻煩。此外，鋁合金粉較差的流動(dòng)性和很高的激光反射率同樣給它的打印過(guò)程帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)。

但是，鋁合金又因其輕質(zhì)、高強(qiáng)、高導(dǎo)熱、耐腐蝕、導(dǎo)電等諸多優(yōu)良特性在航空航天、國(guó)防軍工、汽車、電子、建筑等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。因此為了推進(jìn)鋁合金在金屬打印領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用，世界各國(guó)的科學(xué)家都在對(duì)鋁合金的金屬3D打印方面進(jìn)行著探索。

2021年9月21日，南極熊獲悉，由奧本大學(xué)和EOS北美公司的工程師組成的研究小組深入研究了構(gòu)建方向?qū)?D打印鋁（Al）合金結(jié)構(gòu)完整性的影響。

該團(tuán)隊(duì)對(duì)5種最流行的鋁合金粉末進(jìn)行了測(cè)試，包括AlSi10Mg、Scalmalloy、QuesTekAl、Addalloy® 5T（AD1）和AlF357。他們通過(guò)采用粉末床熔融3D打印技術(shù)，研究了構(gòu)建方向如何改變諸如零件微觀結(jié)構(gòu)、材料孔隙率和疲勞行為等特性，這些特性對(duì)于了解材料是否適合高壓工業(yè)應(yīng)用是不可或缺的。

研究論文解釋說(shuō)："使用鋁合金進(jìn)行增材制造最近獲得了極大的關(guān)注，特別是在航空航天業(yè)。這促進(jìn)了新型高強(qiáng)度鋁合金的引入，使增材制造工藝變得更加兼容。然而，在將這些新開(kāi)發(fā)的鋁合金部署到安全關(guān)鍵的承重應(yīng)用中之前，調(diào)查其結(jié)構(gòu)完整性是至關(guān)重要的"。

△5種不同鋁粉的SEM圖像。圖片來(lái)自?shī)W本大學(xué)

鋁材料在增材制造中的崛起

隨著金屬3D打印迅速成為汽車、國(guó)防和醫(yī)療等行業(yè)的戰(zhàn)略工具，新的材料創(chuàng)新也在不斷出現(xiàn)。特別是鋁合金，以其高強(qiáng)度重量比、淬透性和出色的耐腐蝕性而聞名，使其成為航空航天和賽車領(lǐng)域各種應(yīng)用的首要選擇。

然而，據(jù)奧本大學(xué)的研究人員稱，3D打印鋁合金往往比其他材料更具挑戰(zhàn)性。粉末顆粒很輕，表現(xiàn)出較差的流動(dòng)性，吸引水分，具有較高的導(dǎo)熱性，并且極易被氧化。這一連串的問(wèn)題增加了3D打印的鋁零件的缺陷風(fēng)險(xiǎn)，眾所周知，這對(duì)任何材料的機(jī)械性能（尤其是疲勞性能）都是有害的。

有趣的是，零件的構(gòu)建方向也被證明是產(chǎn)生缺陷的類型、大小和頻率的一個(gè)主要因素。這被歸因于不同方向的部件所經(jīng)歷的熱歷史的變化，因此有必要評(píng)估構(gòu)建方向如何影響3D打印鋁部件的疲勞行為。

△用Scalmalloy制造的空氣動(dòng)力運(yùn)動(dòng)小翼。照片來(lái)自APWORKS

構(gòu)建方向?qū)�結(jié)構(gòu)完整性的影響

這項(xiàng)研究涉及在垂直和水平方向上3D打印AlSi10Mg、Scalmalloy、QuesTek Al、AD1和AlF357樣品。

首先，建造方向?qū)︿X零件的晶粒結(jié)構(gòu)沒(méi)有明顯影響。然而，當(dāng)涉及到缺陷時(shí)，水平試樣的體積缺陷水平比其垂直方向的試樣高得多。Scalmalloy和AD1在垂直和水平建造之間表現(xiàn)出最低的缺陷密度變化，這是因?yàn)檫@兩種合金的熱導(dǎo)率相對(duì)較低。

將這些合金相互比較，AD1的疲勞性能優(yōu)于AlSi10Mg、QuesTek Al和AlF357，而不考慮建造方向。這是由于AD1的低缺陷密度、高抗拉強(qiáng)度和高伸長(zhǎng)率的結(jié)果。雖然水平的Scalmalloy部件的疲勞性能比水平的AD1部件稍弱，但這兩種合金的垂直試樣的疲勞壽命是相當(dāng)?shù)摹?/div>

最終該研究的結(jié)論是："盡管研究結(jié)果沒(méi)有提供整體的疲勞性能，但對(duì)于這五種當(dāng)今流行的LB-PBF鋁合金，我們可以依據(jù)在不同方向上構(gòu)建的數(shù)據(jù)和獲取的結(jié)果來(lái)幫助AM用戶為其應(yīng)用選擇合適的鋁合金。盡管如此，在將每種合金用于具體應(yīng)用之前，AM用戶可能需要為其生成更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)"。

△在5種合金中，水平構(gòu)建的孔隙率明顯高于垂直構(gòu)建的孔隙率。圖片來(lái)自?shī)W本大學(xué)

該研究的進(jìn)一步細(xì)節(jié)可以在題為 "Structural integrityof additively manufactured aluminum alloys: Effects of build orientation on microstructure,porosity, and fatigue behavior"。它是由P.D. Nezhadfar,Spencer Thompson等人共同撰寫的。

相關(guān)論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2214860421004528

此外，在今夏早些時(shí)候，意大利3D打印服務(wù)提供商BEAMIT開(kāi)發(fā)了一套用于3D打印高性能Al2024鋁合金的參數(shù)統(tǒng)計(jì)。他們認(rèn)為，鋁材料在室溫和高溫下都比其他同類合金表現(xiàn)得更好，是生產(chǎn)耐用底盤、懸架和發(fā)動(dòng)機(jī)等賽車應(yīng)用部件的理想材料。

最近，英國(guó)的數(shù)字制造中心（DMC）剛剛成為Scalmalloy制作3D打印部件的認(rèn)證供應(yīng)商。作為供應(yīng)商認(rèn)證要求的一部分，DMC 3D打印了一套Scalmalloy部件，然后由該材料的開(kāi)發(fā)商APWORKS進(jìn)行檢查。測(cè)試結(jié)果表明：所達(dá)到的零件質(zhì)量使DMC在全球Scalmalloy零件供應(yīng)商中排名前1%。