1、激光粉末床融合。
采用SLM/L—PBF工艺3D打印制造零件的最大优势是能够制造复杂的几何结构,且精度高、表面质量好。这些特点注定了它的独特应用领域,如传热效率更高的换热器、轻质支架、蒙皮网格结构等。与传统工艺相比,使用3D打印制造这些零部件还减少了零部件制造步骤,降低了成本,带来了更好的性能。
SLM生产高精度铝合金零部件、散热器、拓扑优化部件和蒙皮网格结构。
用这种工艺制造的这些结构件几乎都是工艺独占的,也就是说,其他传统工艺或其他3D打印工艺都有一定的不足。但是,结构简单的零件不需要使用这种工艺,成本是批量生产的重要因素。因此,利用SLM/L—PBF工艺3D打印铝合金零件,多用于制造其他工艺难以实现的结构复杂的零件。
2、电子束粉末床融合。
仅限于EBM技术,本身的市场规模较小,关注度也受到了影响,但它是另一种可以打印铝合金的粉床熔融技术。铝合金的电子束选择性熔化(EBM)与激光熔化相比具有一些优点,如不受反射率的影响,零件表现出较小的热应力,对于容易开裂的铝合金牌号的印刷具有很大的优势。此外,真空条件也可减少材料的氧化。因此,该工艺为铝合金的制备提供了巨大的潜力。
3D打印技术,EBM打印的铝合金塑性会远远好于SLM,但强度会低一些,可以通过固溶和时效处理来提高。用该技术印刷铝合金的缺点是零件的表面质量相对较差,因此可能不适用于有内流道及精密的零件,而更适用于制造传统加工方法难以制造的具有特殊复杂曲面的结构。此外,EBM技术的打印尺寸往往是有限的。结合其他因素,利用该技术制造铝合金零件的应用场景受到很大限制。
3、粘结剂喷射3D打印。
采用粘结剂喷射3D打印铝合金是非常困难的,因为在后续的烧结过程中容易氧化,容易发生反应,这对这种工艺打印铝合金是一个很大的挑战。事实上,铝合金在MIM工业中的应用并不广泛。不过,通过对整个生产流程和材料的优化,铝合金的粘结剂喷射3D打印取得了突破性进展。
一旦铝合金粘结剂喷射3D打印工艺成熟,市场应用潜力巨大,可用于电动汽车、电动飞机零部件的3D打印制造,创造新的价值,但目前还没有真正应用的报道。
4、激光/电子束能量沉积工艺。
激光能量沉积是利用粉末或金属丝来实现金属材料的积累。对于铝合金,由于其高导热、高反射、易氧化等特性,使用激光能量沉积来制造实际上是不方便的,但仍有许多研究试图解决这些制造难题。
这一工艺的发展为交通运输、航空航天等行业提供了一种新的加工方法,即粉末冶金的DED工艺可以用来修复复杂的铝合金零件。此外,使用Optomec的LENS同步五轴系统,可以直接加工具有复杂几何形状的铝合金零件,而不需要任何支撑结构。铝合金沉积在氧气浓度和湿度极低的受控室中,确保制造出具有优异机械性能的部件。除了使用激光器,还可以利用电子束实现铝合金熔丝的增材制造。
5、电弧增材制造。
电弧增材制造以金属丝为原材料、以电弧为热源,可以快速高效地制造大型金属零件。同时,基于该工艺的设备简单、材料利用率高、成本较低。目前,这一工艺已成功地用于制造Ti6Al4V、钢、In718等材料。特别是可以加工对激光反射性强的金属,如铝合金和铜合金,可以满足大型铝合金零件的生产需要。在我国的航空航天领域,关于铝合金大型构件的电弧增材制造应用的报道很多。
不过,3D打印技术参考文献此前曾介绍过,由于电弧的方向性,很难做到像激光一样精确聚焦,因此熔化轨迹不精细、层堆积导致表面非常粗糙。成形形貌的控制是金属零件增材制造技术的主要瓶颈,因此该技术的使用需要与后处理加工相配合。
由于与激光相比具有更高效的材料沉积效率,电弧沉积已成为制造大型铝合金构件的重要增材制造技术,在国内外航空航天领域得到用户的广泛重视、发展和应用。
6、搅拌摩擦增材制造。
搅拌摩擦增材制造是在搅拌摩擦焊原理的基础上发展起来的。这个过程不需要高能量的热源或气体保护。它可以使用板材、旋转棒料和粉末规格的材料,并利用搅拌针和连接件之间的摩擦搅拌,产生热量软化材料在连接处,并利用轴向压力将材料保持在一起。此外,由于成形过程中没有金属熔化/凝固过程,材料在成形过程中不会产生与熔化有关的热裂纹、气孔等冶金缺陷。正是因为成型温度低,成型发生在材料内部,所以不会受外界影响而造成材料氧化等问题。生产过程可在露天环境下进行,制造零件的尺寸显著增大。
该工艺适用于大型铝合金部件的制造,且沉积速率高,特别适用于航空航天领域,并可用于制造燃料贮罐。
7、冷喷涂。
冷喷涂增材制造技术是一种基于高速颗粒固态沉积的涂层制备方法。喷涂粒子在固态下碰撞基体,发生剧烈的塑性变形而沉积形成涂层。同时,对基体没有热影响。它可以作为一种近净成形技术,直接喷涂制备块和零件。
冷喷涂是实现铝合金沉积的一种重要制造技术,可用于大型、高端零部件的修复。
8、超声波能量沉积。
超声波增材制造(UAM)是在传统的“超声波焊接”工艺基础上,利用高频振动波传递到两个待焊接物体表面。在压力下,两个物体的表面互相摩擦,形成分子层之间的熔合。而当这种焊接方法应用到3D打印机上,就实现了这种全新的3D打印工艺——“超声波增材制造”。
超声增材制造以金属薄片为材料,可实现真正冶金意义上的熔合,可使用铝、铜、不锈钢和钛等多种金属材料。UAM的制造过程包括通过超声波一层一层地连续焊接金属板,并不时进行机械加工,以达到指定的3D形状,从而形成一个坚固的金属物体。通过结合增材和减材的处理能力,UAM可以制造深槽、中空、栅格状或蜂窝状的内部结构,以及其他复杂的几何形状,通常不能实现使用传统的减材制造工艺。此外,该技术的一个重要优势是能够制造多金属零件。
铝合金超声波增材制造技术还存在一些不足。由于目前超声波功率的限制,只能快速成型薄铝箔。未来要实现大厚度、高强度的面板增材制造,必须大幅度提高超声波换能器的输出功率。
9、液态金属3D打印。
液态金属3D打印解决方案将铝合金焊丝熔化,借助磁场将液滴精确沉积在施工平台上并固化,实现零件的叠层制造。这是一种基于熔融金属磁流体动力学喷射的印刷方法,利用磁场诱导的压力梯度喷射液态金属液滴。根据3D打印技术参考查询的信息,打印机控制器以预定的速率将金属丝送入陶瓷喷嘴,陶瓷喷嘴通过电阻加热使铝丝熔化并储存在喷嘴中。喷嘴周围是一个电磁线圈,电流脉冲施加到铜线圈上,产生一个瞬态磁场,场感应与循环电流耦合,产生洛伦兹力,作用在熔融金属上的压力可使液滴从喷嘴喷出去。
液态金属打印中的温度梯度和冷却速率不像基于激光和电子束的3D打印工艺那样极端。由于喷嘴和基板之间的距离很小,液滴在撞击前有时间冷却。较小的温度梯度和冷却速率可能意味着与后两种工艺相比,遇到的缺陷(如孔隙率)更少。然而,对于液态金属3D打印,仍需要进行优化,以达到成本、分辨率和构建时间等因素的最佳组合。需要调整的参数包括温度、喷嘴尺寸、喷嘴与基板之间的距离。此外,需要进行后处理,以获得所需的表面特性。构建的分辨率受液滴尺寸等因素的影响,影响液滴大小的因素又包括喷嘴的尺寸或直径、液滴喷射的速度以及单次喷射包含单液滴还是多液滴。
铝和铝合金被认为是增材制造进入大批量和批量生产应用的下一阶段最令人感兴趣的材料。这主要是由于与钛等类似轻质金属相比,铝具有优异的机械性能和低廉的价格。