铝快速成型制造概述
铝快速成型制造也称为 3D 打印铝，是指使用 3D 打印技术逐层制作铝制零件的过程。它可以创建复杂的几何形状和定制铝制零件，而无需使用传统的加工方法。
有关铝快速成型制造的一些关键细节：
- 用于航空航天、汽车、医疗、消费品等行业的原型、模具和最终使用部件
- 提供设计自由度，减轻重量，将组件整合到一个部件中
- 生产出坚固耐用的铝制部件，其材料特性与传统制造工艺相似
- 使用粉末床熔融、定向能沉积等金属 3D 打印技术
- 常用的铝合金有 AlSi10Mg、Scalmalloy、Al6061 等。
- 需要进行热等静压、数控加工等后处理，以实现最终零件质量
铝增材制造设备类型
| 设备类型 | 说明 | 材料 | 建筑尺寸 | 准确性 | 表面处理 | 费用 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 粉末床融合 | 利用激光或电子束选择性地熔化金属粉末层 | 铝合金、钛、钢、超级合金 | 中小型 | 高（高达 0.1 毫米） | 印刷粗糙，加工后效果良好 | 高（>$500K 机器） |
| 定向能量沉积 | 将激光/电子束等能量源聚焦在特定点上，同时添加填充金属粉末来制造零件 | 铝合金、钛、钢、超级合金 | 中型至大型 | 中型（0.5 毫米至 1 毫米） | 印刷粗糙，机加工后尚可 | 高（>$500K 机器） |
| 粘结剂喷射 | 使用液体粘接剂粘接金属粉末，印刷后对部件进行脱水处理 | 铝合金、钢 | 中型 | 中型（0.5 毫米至 1 毫米） | 粗糙（需要渗入合金） | 较低（$150K 至 $300K 机器） |
铝快速成型技术的应用
| 行业 | 应用实例 | 益处 |
|---|---|---|
| 航空航天 | 飞机和火箭发动机部件、支架、支撑结构 | 轻量化、定制几何形状 |
| 汽车 | 定制支架、热交换器、夹具和固定装置 | 集成组件、快速原型制作 |
| 医疗 | 牙托、整形外科植入物、手术器械 | 生物相容性、定制尺寸 |
| 消费品 | 无人机框架、体育用品、时尚配饰 | 短期生产，快速设计迭代 |
| 工具 | 注塑模具、夹具、固定装置、量具 | 与传统工具相比，速度更快，成本更低 |
铝快速成型技术规范
| 参数 | 详细信息 |
|---|---|
| 材料 | 铝合金：AlSi10Mg, Al6061, Scalmalloy, 定制合金 |
| 零件尺寸 | 最大 500mm x 500mm x 500mm，用于粉末熔床 <br> 1 米 x 1 米 x 1 米，用于定向能量沉积 |
| 图层分辨率 | 典型值为 20 微米至 100 微米 |
| 表面处理 | 印刷后：Ra 10-25 微米 <br> 机加工：Ra 0.4 - 6.3 微米 |
| 机械性能 | 拉伸强度：330-470 兆帕 <br> 屈服强度：215-350 兆帕 <br> 断裂伸长率：3-8% |
| 准确性 | 用于粉末床熔化的 ± 100 微米 <br> 用于粘合剂喷射的 ± 300 微米 <br>± 500 微米，用于定向能量沉积 |
| 设计标准 | ISO/ASTM 52900：快速成型制造设计要求 <br> ISO/ASTM 52921：金属粉末床熔融工艺标准 |
铝快速成型制造供应商和成本
| 供应商 | 设备品牌 | 零件平均成本 |
|---|---|---|
| 3D 系统 | DMP, 图 4 | 每立方厘米 $8-$12 |
| EOS | EOS M 系列 | 每立方厘米 $6-$10 |
| 通用电气添加剂 | 概念激光 M2、X Line 2000R | 每立方厘米 $8-$15 |
| Velo3D | Velo3D 蓝宝石 | $20+ 每立方厘米 |
零件成本取决于制造率、所用材料、几何复杂性、后处理需求和订单数量。一般来说，铝快速成型技术可为小批量生产（通常少于 10,000 件）节省成本。
铝快速成型制造安装要求
| 参数 | 要求 |
|---|---|
| 设施类型 | 配备气候控制和粉末处理站的专用金属 AM 设备 |
| 电源 | 200V 至 480V，30 至 150 kW，每台机器 30 至 70A |
| 燃气供应 | 用于粉末床熔化的氩气和氮气 <br> 用于定向能沉积的氩气 |
| 排气系统 | 烟尘抽排系统、粉末微粒高效过滤器 |
| 软件 | CAD 和 AM 机器控制软件，如 Materialise Magics、Autodesk Netfabb |
| 后期处理 | 热等静压机、喷砂房、数控机床加工 |
建议在 15-30°C 之间的清洁温控环境中进行金属添加剂制造。还必须配备适当的粉末储存、处理和废物管理设施。
铝快速成型制造操作与维护
| 活动 | 频率 |
|---|---|
| 校准 | 每日检查激光功率，每季度校准一次 |
| 材料管理 | 检查粉末 筛分分析、形态学，每季度一次 |
| 设备服务 | 每天至每周清洁光学器件和过滤器 <br> 更换擦拭布、过滤器等消耗品 <br> 按照原始设备制造商的计划进行预防性维护 |
| 软件更新 | 定期更新固件和软件 |
| 设施维护 | 检查加热、冷却和排气系统 <br> 清洁粉末处理站 |
设备的日常清洁和所有系统的监控至关重要。必须对员工进行培训，并配备处理金属粉末的个人防护设备。遵循原始设备制造商关于预防性维护和校准的指导原则。
选择铝材快速成型制造合作伙伴
在选择铝制零件的调幅服务供应商时，应考虑以下几点：
- AM 工艺经验 - 看是否有多年的业务经验，特别是铝方面的案例研究
- 材料和后处理能力 - 铝合金、HIP、热处理、机加工
- 质量认证 - ISO 9001、ISO/IEC 17025、Nadcap
- 设计专长--他们能否为 AM 优化零件？
- 安装的设备 - 现代化、维护良好的机器
- 后期处理设备--内部有哪些设备？
- 满足原型设计需求的快速周转
- 生产的可扩展性--能否满足生产量？
- 位置和物流--如果就在附近，会有帮助
- 成本竞争力 - 报价透明，符合项目范围的经济性
- 客户评价 - 在线搜索或询问推荐人
铝快速成型技术的利与弊
| 优势 | 缺点 |
|---|---|
| 复杂几何形状，合并组件 | 根据建造量限制尺寸 |
| 轻量化，减少部件数量 | 后处理增加了准备时间 |
| 快速原型、数字库存 | 大量使用时，成本高于传统方法 |
| 设计自由，形状优化 | 伸长率低于锻造合金 |
| 尽量减少材料浪费 | 水平与垂直的各向异性特性 |
| 缩短开发时间表 | 孔隙率问题可能需要热等静压处理 |
| 无缝制造，无需夹具 | 金属 AM 的专门培训和设施 |
铝合金 AM 具有设计灵活、部件整合和周转时间短等优点。但它也需要专业设备和专业知识。要生产出最终使用的零件，必须对工艺有透彻的了解。
常见问题
快速成型制造中使用的铝合金有哪些种类？
常用的铝合金有
- AlSi10Mg - 优良的强度和表面光洁度。AM 中最常用的铝合金。
- Al6061 - 具有良好耐腐蚀性的高强度合金。随时可用。
- Scalmalloy - 空中客车公司开发的具有高强度和延展性的铝合金。
- 定制合金 - 可设计用于优化某些性能。需要研发。
铝质 AM 零件需要进行哪些后处理？
常见的后期处理步骤包括
- 从模板上取下
- 喷丸或喷砂使表面光滑
- 热等静压以提高密度
- 热处理以获得最佳机械性能
- 数控加工--钻孔、攻丝、铣削，确保尺寸精度
- 表面处理 - 阳极氧化、粉末喷涂，美观大方
铝 AM 的成本与 CNC 加工相比如何？
对于小批量生产（100 个零件以下），AM 通常比 CNC 加工更具成本效益。它不需要模具，交货时间也更快。对于 1000 件以上的大批量生产，由于材料浪费，CNC 加工的成本要比 AM 低。结合 AM 和机械加工的混合方法可为中等产量提供具有成本效益的解决方案。
金属 3D 打印可以制造多大尺寸的铝制部件？
对于 DMLS 和 EBM 等粉末床技术，最大零件尺寸约为 500mm x 500mm x 500mm。大型设备的制造尺寸超过 1m x 1m x 1m。粘合剂喷射和定向能沉积的尺寸限制较少，有些设备可制造米级零件。
铝快速成型技术的表面光洁度如何？
调制解调器的印刷表面粗糙度约为 Ra 10-25 微米。各种精加工操作可显著改善这一状况：
- 数控加工 - Ra 0.4 至 6.3 微米
- 抛光 - Ra < 1 微米
- 阳极氧化 - 表面光滑均匀，耐腐蚀性更强
通过正确的后处理，铝 AM 零件可以获得与传统制造相当的光滑表面。
哪些行业使用铝快速成型技术？
采用铝 AM 的主要行业包括
- 航空航天 - 飞机部件、支架、发动机部件
- 汽车 - 热交换器、定制支架、工具
- 医疗 - 牙科用牙套、植入物、手术器械
- 消费品 - 无人机部件、运动器材、小玩意儿
- 工业 - 用于制造和装配的终端夹具、固定装置
铝合金 AM 可在这些细分市场实现轻质、优化的设计。
内部铝材 AM 需要哪些专业知识？
成功实施内部铝材 AM 需要：
- AM 工程师优化构建和鉴定流程
- 设备操作和维护技术员
- 质量小组验证部件和程序
- 接受过健康与安全培训的粉末处理技术人员
- 设施团队提供电力、冷却、供气和排气服务
- 为 AM 数据管理提供软件和网络支持
建议采用跨职能团队方法，在整个组织内建立 AM 专业知识。
哪些标准适用于铝快速成型制造？
主要标准包括
- ISO/ASTM 52900 - 标准 AM 术语表
- ISO/ASTM 52921 - 粉末床熔融工艺设备标准
- ASTM F3001 - AM 医疗部件标准
- ASTM F3301--定向能沉积 AM 金属标准
- ASTM F3302 - AM 金属粘结剂喷射标准
对符合这些标准的部件进行认证，可以证明质量管理和合规性。
结论
铝增材制造技术可在航空航天、汽车、医疗和消费品领域实现轻质、优化的铝制部件。只要掌握正确的工艺知识和专业技术，就能利用基于层的三维打印灵活性生产出最终用途的铝制部件。随着铝增材制造技术的成熟，这种多功能金属材料的成本将不断降低，采用率也将持续上升。
