某某工厂-专业生产加工、定做各种金属工艺品

金属工艺汇总

3D打印未来可期

铝合金因具比强度高、高导热、来源广、成本低等优点，成为汽车、航空航天、轨道交通等多领域应用最广泛的金属材料之一。随着增材制造技术的快速发展，多种类型的金属3D打印技术被用于铝合金成型研究和应用：

1. 激光粉末床熔融

采用SLM/L-PBF工艺3D打印制造零件的最大优势在于能够制造高精度、具有良好表面质量的复杂几何结构。这些特点注定了其专有的应用领域，如具有更高换热效率的热交换器、轻量化的支架、蒙皮点阵结构等。这些零件采用3D打印制造相比传统工艺还减少了零件制造步骤、降低了成本并带来了更好的性能。而采用SLM/L-PBF工艺3D打印铝合金零件，多用于制造那些具有复杂结构且其他工艺难以实现的零件。

2. 电子束粉末床熔融

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末床熔融技术。铝合金的电子束选区熔化 (EBM) 与激光熔化相比具有一些优势，如不受反射率的影响、零件表现出较少的热应力，对于易开裂的铝合金牌号打印具有较大优势。此外，真空条件还减少了材料氧化。因此，该工艺为铝合金的制造提供了巨大潜力。

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3. 粘结剂喷射3D打印

采用粘结剂喷射3D打印铝合金存在很大困难，这是因为其易氧化，且在后续的烧结过程中易发生反应，这是该工艺打印铝合金的一大挑战。实际上，铝合金也未广泛应用于MIM行业。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。铝合金粘结剂喷射3D打印工艺一旦成熟，市场应用潜力是巨大的，可用于电动汽车、电动飞机零部件3D打印制造，创造新的价值。

4. 激光/电子束能量沉积工艺

激光能量沉积采用粉末或丝材实现金属材料的堆积成型，对于铝合金而言，由于其高导热、高反射、易氧化等因素，采用激光能量沉积制造实际上多有不便，但仍然有很多研究正在试图解决这些制造难题。

5. 电弧增材制造

电弧增材制造以金属丝为原料、电弧作为热源，可进行大尺寸金属零件快速、高效制造。同时，基于该工艺的设备简单、材料利用率高、成本更低。目前，该工艺已成功用于制造Ti6Al4V、钢、In718等材料。它可以处理对激光高度反射的金属，如铝合金和铜合金，能够满足大尺寸铝合金部件的生产需求。我国航天领域对电弧增材制造铝合金大型构件的应用有多项报道。由于相比于激光更为高效的材料沉积效率，电弧沉积已经成为如今制造大型铝合金构件的重要增材制造技术，受到国内外航空航天领域用户的广泛重视、开发和应用。

6. 搅拌摩擦增材制造

搅拌摩擦增材制造是基于搅拌摩擦焊的原理发展而来，该工艺不需要高能热源也不需要气体保护，可以使用板材、旋转棒料和粉末规格的材料，利用搅拌针与连接件的搅拌摩擦产生热量软化连接处的材料，再通过轴向的压力使得材料连接在一起。由于成形过程中不存在金属的熔化/凝固过程，材料在成形过程中不会产生与熔化相关的热裂纹、气孔等冶金缺陷。而正是由于成形温度低且成形发生在材料内部也不会受外界影响造成材料氧化等问题，生产过程可以在露天环境中进行，所制造的部件的尺寸显著增加，适合制造铝合金大型构件，且具有很高的沉积速率，特别适合于航空航天领域，可用于制造燃料贮罐。

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7. 冷喷涂

冷喷涂增材制造技术是一种基于高速粒子固态沉积的涂层制备方法。喷涂粒子在固态下碰撞基体，经过剧烈的塑性变形而沉积形成涂层，同时对基体不形成热影响，可作为近净成形技术直接喷涂制备块材和零部件。冷喷涂是实现铝合金沉积的重要制造技术，能够用于大尺寸、高端应用领域的零件修复。

8江南体育. 超声波能量沉积

超声波增材制造（UAM）是基于传统的 “超声波焊接”工艺，利用高频振动波传递到两个需焊接的物体表面，在加压的情况下，使两个物体表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合。而当这种焊接方式被应用到3D打印机上时，也就成就了这项新的3D打印工艺——“超声波增材制造”。能够实现真正冶金学意义上的熔合，并可以使用各种金属材料如铝、铜、不锈钢和钛等。UAM的制造过程包括通过超声波逐层连续焊接金属片，并不时通过机械加工来实现指定的3D形状，从而形成坚实的金属物体。

9. 液态金属3D打印

液态金属3D打印解决方案通过将铝合金焊丝熔化，借助磁场精确的将液滴沉积在构建平台上并凝固，实现零件的叠层制造。这是一种基于熔融金属磁流体动力喷射的打印方法，通过利用磁场感应的压力梯度喷射液态金属液滴。2022年7月，液态金属3D打印机被安装在美军黄蜂级两栖攻击舰第2号舰上——这是美国海军舰艇上部署的第一台金属增材制造装备。

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金属3D打印技术不断突破

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2月，来自威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员发表了一种通过使用纳米粒子来控制激光-粉末床相互作用的不稳定性从而消除大飞溅物的方法。研究人员揭示了两种机制协同工作以消除所有类型的大飞溅：（1）纳米粒子对熔池波动的控制消除了液体破裂引起的大飞溅；(2) 纳米粒子对液滴聚结的控制消除了液滴碰撞引起的大飞溅。同时得出结论，纳米粒子能够同时稳定熔池波动和防止液滴聚结，为减少金属增材制造中的缺陷提供了一种潜在方法。

3月，香港理工大学、西北工业大学和香港中文大学的研究人员提出了粉末基增材制造金属和合金中多尺度缺陷的类型、形成机制、危害以及控制方法。PBF金属部件内部缺陷可根据尺寸分为三类：(1) 尺寸缺陷；(2) 表面质量缺陷；(3) 显微组织缺陷；(4) 成分缺陷。为进一步提升PBF金属部件机械性能及表面质量，需对缺陷形成机理及缺陷对成形部件性能影响进行深入探究。

5月，赫瑞瓦特大学、、弗吉尼亚大学和阿贡国家实验室的科学家组成的团队使用先进的成像技术，研究了金属3D打印过程中的材料状态，使激光与金属粒子相互作用时存在的所有物质状态之间的相互作用实现了可视化，从而为缺陷形成的方式和原因提供了新的见解。

9月，澳大利亚莫纳什大学增材制造中心的研究团队联合上海理工大学、中科院金属所、澳大利亚国立大学、澳大利亚迪肯大学以及美国俄亥俄州立大学利用3D打印技术实现了现有商用钛合金力学性能的大幅提升，使其达到现有所有3D打印金属中最高的比强度。研究人员对SLM制造的钛合金进行了两种不同温度的直接时效热处理，（480°C和520°C热处理），实现了惊人的强度。

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10月，清华大学机械工程系赵沧助理教授在国际物理学界权威期刊《现代物理评论》发表了关于金属激光增材制造激光熔化模式的综述论文，作者阐述了金属激光粉末床熔融增材制造中的一般物理过程，着重强调了两个关键耦合现象：熔化和汽化，匙孔前壁液态突出物和匙孔失稳。这些物理现象驱动了熔池和匙孔的形貌演化，是激光熔化模式定义的基石。

3D打印铝材料

量产化、轻量化指日可待

铝和铝合金被认为是增材制造发展到大批量生产应用的下一阶段最有潜力的材料之一。这主要是由于与钛合金等轻量化金属相比，铝具有出色的机械性能和低廉的价格。然而，增材制造铝基零件的工业化应用仍有很长的一段路要走，这是因为铝材3D打印面临的几个固有挑战仍未得到有效解决。

近几个月来，铝价、产量和供应的大幅波动一直困扰着供应链，尤其是在俄乌冲突导致全球紧张局势加剧的情况下。首先是俄罗斯是全球市场的主要铝供应商，俄罗斯最大的制造商 RUSAL 供应欧盟 40% 的铝需求。二是铝冶炼是一个耗电大的过程，因此受到近期能源紧缩的影响。在某些情况下，增材制造可以通过减少生产某些增材制造零件所需的材料量来为供应链弹性运转提供解决方案。

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铝3D打印的一个早期挑战是，几乎所有用于增材制造的铝合金最初都是为铸造应用而开发的。事实上，迄今为止增材制造中最常用的铝合金是AlSi10Mg，这是一种时效强化铝合金，具有良好的硬度，强度和动态韧性，传统上用作铸造合金。由AlSi10Mg制成的粉末通常用于增材制造，并且最终组件具有高耐腐蚀性，低密度和高机械强度。

对于常见的铝合金材料，大多数硬件公司和服务提供商是采取L-PBF技术来进行加工。例如，美国公司VELO3D使用其蓝宝石系统开发了一种由铝F3制成的357D打印零件的工艺。这为铸造级铝合金创造了新的机会，特别是对于航空航天和国防工业中的薄壁传热应用。铝 F357 被认为是理想的材料，因为它能够进行阳极氧化，并且与流行的铸造合金 A357 具有相似特性。

—3D打印铝质部件的应用

随着金属开发商和制造商引入更多增材制造专用铝和铝合金材料，金属3D打印行业将持续取得增长。今天，尽管铝增材制造的应用潜力在很大程度上仍未开发，但它在某些领域正在取得进展。

—量化铝材增材制造业务

在增材制造中采用铝的主要障碍是使材料适应结合金属工艺。粘结剂喷射（BMP）工艺将成为增材制造铝合金的最大消费者，因为这些技术的目标是实现具有成本效益的大批量生产。

就金属增材制造材料需求预测而言，最明显的变化是铝合金应用的快速增长。如今，铝合金是仅次于钢、钛和镍的第四大最受欢迎的合金，249 年出货量为 7.2021 吨，与36 年相比增长了 +7.2020%。到2030年，它们将成为第三大最受欢迎的合金，届时它们将占金属增材制造材料总出货量的近20%，为5,354吨。如果粘结剂喷射技术证明能够熟练地加工铝以进行批量生产，那么铝需求的增加可能会更加显著。

就收入而言，铝合金是 2020 年第四大材料领域，仅产生 1790 万美元，到 2021 年增长36.8%，这使我们能够更好地了解增材制造材料市场的规模。虽然增长将是显着的，但由于通过 3D 打印生产零件所需的数量很少，而且通常通过增材制造生产的零件数量很少，无论是原型和工具（通常是一次性的）还是小批量生产零件。在目前成熟的金属增材制造材料中，预计铝合金的复合年增长率最高，达到 33.3%，其次是钛、钢、镍和钴合金。

金属3D打印：安全最重要

从实际制造来说，金属3D打印的每个阶段都会产生不同的污染源（或物质）进而会造成特定的危害。金属3D打印用的金属粉末，粒径分布通常为几十微米，可被吸入肺或肺泡。对于低密度的钛、铝及其合金都是反应性金属，风险尤其大，必须受到粉尘浓度的特定限制；其他金属粉末，如钢或其他含镍合金，则被危险物质指令分类为致癌、致突变和生殖毒性材料。对粉末颗粒的长期接触和吸入会给操作人员身体健康带来一定隐患。

不仅如此，在组件的打印过程中危险同样存在，熔化过程产生的废气除一部分会被带入过滤系统，仍可能有一部分被排出到打印系统的外置空间，从而造成室内环境的污染。随同废气的排出，一部分惰性气体如氮气尤其是氩气，也是风险的来源。设备的维护过程，如过滤系统的清洁，其中的粉尘、灰烬比金属颗粒更加细小，若处理不当，很可能会因为成分的稳定性问题发生火灾甚至爆炸。

基于对SLM工艺过程的整体评估，德国Bayreuth大学开发并评估了粉末防护的特定方案，其重点在于安全防护反应性材料Ti6AlV4。为减少危害而采取的保护措施由STOP原则确定优先级顺序，实施策略要基于流程、地点以及员工保护等关键因素。

金属粉末的处理必须格外小心，并且在可能的情况下，应在保护性气氛中进行。目前，全封闭的工艺流程正在被设备制造商所重视，以SLM Solutions为代表的金属打印机品牌商从粉末的灌装、清理甚至中途加装等所有流程均实现了全封闭操作，这种空间分割或封装最大程度的减少了粉尘的暴露和危害。在这种情况下，3D打印手套箱就成为了一种优先的设备选择。

（大型金属3D打印手套箱）

3D打印安全保护

3D打印技术作为一项前沿性、先导性非常强的新兴技术，对传统制造业的工艺改造和新材料的广泛应用具有颠覆性的意义和作用。我们制造的3D打印手套箱（增材制造保护手套箱）针对航空航天特殊零部件的加工所需要的环境而设计的：3D打印设备一般采用送粉成型或铺粉成型两种，每种成型设备其需要的手套箱设计要求不同，为此需要啊根据不同需求来设计手套箱提供可靠的解决方案。

金属3D打印惰性气体保护系统是一套高性能、高品质的自动吸收水、氧分子的超级净化防护手套箱，提供一个纯化工作环境需求的密闭循环工作系统，可以满足特定清洁要求应用的1ppm的O2和H2O惰性的氛围环境。实现了将选择性激光溶化装置本体放置在一密封箱体内，该密闭箱体与多级粉尘手机装置和风循环装置形成闭环，氩气在该闭环内循环，系统中的气氛水含量达到小于1PPM指标，氧含量达到小于1PPM指标，实现超高纯工作气氛的环境，加工的产品可直接应用，减少再处理环节，是一套满足科研开发而设计的经济型循环净化系统。

（大型金属3D打印手套箱）

技术优势

●解决3D打印手套箱大体积密封的可靠性。

●解决3D打印手套箱信号线及动力线高度集成进箱密封防干扰问题。

●解决3D打印手套箱工作时烟尘净化问题及过滤器更换周期及寿命问题。

●人性化专业化设计，箱体外形美观，箱体上大型门的密封性极好，开启方便简单。

●解3D打印手套箱送粉器送粉进气或铺粉设备镜头吹气与手套箱箱体压力控制。

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