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根據(jù)SmarTech的預(yù)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，鋁合金在汽車行業(yè)的10年復(fù)合增長率在51.2 %。
在汽車制造領(lǐng)域，鋁合金是實現(xiàn)輕量化的主力軍，著名咨詢公司達(dá)科國際公布的研究數(shù)據(jù)表明，歐洲汽車平均用鋁量自1990年已經(jīng)翻了三倍，由50kg增長到目前的151kg，并將在2025年增長至196kg。[1]
輕量化并不僅僅是要求減重，而是要做到車輛的性能、安全、成本和重量四者之間的平衡。[1] 汽車鋁合金零部件制造的要求包括滿足碰撞性能，在不同情況下的有效性等。但當(dāng)前的鋁合金增材制造工藝設(shè)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足汽車碰撞時的性能要求尤其重要。
根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，德國汽車領(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，正在開發(fā)一款具有更高強(qiáng)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打印的汽車零件。來源：EDAG 不僅僅是輕量化在過去三年中，EDAG與合作伙伴研究了包括粉末制造、仿真模擬、零件開發(fā)在內(nèi)的完整鋁合金增材制造工藝鏈。
在八家合作伙伴中，F(xiàn)raunhofer研究所（ IAPT）、GE 增材制造（GE Additive）開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發(fā)。Fraunhofer研究所（ ITWM）對增材制造過程中材料快速冷卻進(jìn)行了仿真模擬。汽車制造商梅賽德斯·奔馳和EDAG在仿真企業(yè)Altair的支持下，開展了性能仿真。
以上一些列圍繞著新型鋁合金材料增材制造工藝鏈的研究，目標(biāo)是實現(xiàn)輕量化汽車零部件的批量生產(chǎn)。EDAG 與項目合作伙伴在實驗階段，研究了不同的合金材料，最能夠滿足實現(xiàn)目標(biāo)需求的材料已在不同的激光熔化3D打印系統(tǒng)上進(jìn)行了測試。
根據(jù)EDAG，合金的獨(dú)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，這些特性可以通過下游熱處理工藝靈活地調(diào)節(jié)。EDAG 根據(jù)確定的材料參數(shù)生成材料圖，并使用Altair OptiStruct軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減少等冪部件的重量，以及考慮增材制造過程中的要求。
EDAG 選擇了多種汽車零部件進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明，動態(tài)高負(fù)荷的輪架和輪拱區(qū)域中具有高剛度要求的復(fù)雜組件也能夠?qū)崿F(xiàn)有效的減重。其中部分組件減重達(dá)30%，超出了預(yù)期。由于這些零部件的制造方式是金屬3D打印技術(shù)，可以靈活滿足批量定制生產(chǎn)，因此這些組件均可以根據(jù)不同車輛的負(fù)載水平要求進(jìn)行設(shè)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，該材料將在幾個月后上市，商標(biāo)為 CustAlloy®。EDAG表示，CustAlloy®在強(qiáng)度、延展性、防腐蝕性等方面滿足汽車行業(yè)的要求，并將成為一款適合汽車輕量化、防碰撞零部件批量生產(chǎn)的3D打印材料。EDAG 針對這款材料開發(fā)的增材制造工藝和經(jīng)過實踐檢驗的仿真模擬方法，都是幫助用戶使用這款材料進(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(fù)雜的精密構(gòu)件加工制造難題，在隨形內(nèi)流道、復(fù)雜薄壁、點陣鏤空、復(fù)雜內(nèi)腔、多部件集成等復(fù)雜結(jié)構(gòu)問題上有先天優(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(yīng)用中，由于傳統(tǒng)鋁合金的成形特點，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(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，在2019年，鋁合金3D打印材料取得了顯著的進(jìn)展，主要體現(xiàn)在新型高強(qiáng)度3D打印鋁合金材料的出現(xiàn)。以下三種高強(qiáng)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(dǎo)的莫納什大學(xué)研究團(tuán)隊成功開發(fā)出了牌號為Al250C 的高強(qiáng)高韌增材制造專用鋁合金材料，該材料強(qiáng)度達(dá)到目前可用于3D打印的鋁合金材料中最高水平，屈服強(qiáng)度可達(dá)580MPa，抗拉強(qiáng)度590MPa以上，延伸率可達(dá)11%，用該材料制作航空鋁合金3D打印結(jié)構(gòu)件，更有希望替代目前航空航天上的部分鈦合金構(gòu)件，達(dá)到航天航空領(lǐng)域降低重量與節(jié)約成本的目的。
英國的鑄造企業(yè)Aeromet International 通過鋁合金粉末A20X所制造的零件已經(jīng)超過500MPa的極限拉伸強(qiáng)度（UTS）。Aeromet 稱，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(qiáng)鋁合金粉末之一”。
HRL實驗室在2019年10月，將開發(fā)的3D打印用高強(qiáng)度7A77.60L鋁粉正式投放市場。成型后的材料無裂紋、等軸（即晶粒在長度、寬度和高度上大致相等），實現(xiàn)了細(xì)晶粒微觀結(jié)構(gòu)，并與鍛造材料具有相當(dāng)?shù)牟牧蠌?qiáng)度，3D打印的鋁合金材料平均屈服強(qiáng)度高達(dá)580 MPa，極限強(qiáng)度超過600 MPa，平均延伸率超過8％。
新出現(xiàn)的高強(qiáng)度鋁合金3D打印材料，側(cè)重于在航空航天高附加值零件制造中的應(yīng)用。對于汽車制造領(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)在汽車零部件批量生產(chǎn)中應(yīng)用的阻力。
然而，從EDAG 在過去幾年中所開展的汽車零部件3D打印項目中可以看到，EDAG 致力于開發(fā)具有顛覆性的新一代車輛以及一些高附加值汽車零部件，例如EDAG 與德國博世合作設(shè)計的概念車Soulmate, 其輕量化車身由3D打印“骨架結(jié)構(gòu)” 和一層輕薄的覆蓋外層所構(gòu)成，其中的3D打印“骨架結(jié)構(gòu)” 制造方式也為粉末床激光熔化工藝。
在3D科學(xué)谷看來，EDAG 即將推出的 CustAlloy® 3D打印鋁合金材料，或?qū)⒚嫦蛟谠O(shè)計上極具顛覆性的下一代車輛。當(dāng)然，由于目前該材料的價格，以及強(qiáng)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競爭力繼續(xù)保持市場觀察。
參考資料：
[1] 材料牛.《鋁合金：汽車輕量化的主力》
[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？》
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