3D打印金屬材料之鋁及鋁合金材料 3D打印所使用的金屬粉末一般要求純凈度高、球形度好、粒徑分布窄、氧含量低，目前應用于3D打印的金屬粉末材料主要有鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼、鐵粉、鋁粉和鋁合金等少數(shù)幾種，此外還有用于打印首飾用的金、銀等貴金屬材料。 能夠應用于金屬零件直接成型加工的3D打印技術(shù)有SLS（選擇性激光燒結(jié)），SLM（選擇性激光熔化），EBM（電子束熔煉），LENS（激光近凈成型技術(shù)）等。相比高分子材料、光敏樹脂材料和無機非金屬材料的3D打印技術(shù)，金屬3D打印的設(shè)備價格和運行成本較高，工藝難度也偏大，在很大程度上限制了金屬材料在3D打印領(lǐng)域的發(fā)展。
鋁是自然界中分布最廣的金屬元素。地殼中鋁的含量約為8%(質(zhì)量)，僅次于氧和硅，是地殼中含量最豐富的自然元素。據(jù)報道，地球上的某些石英礦脈中以及月球土壤中含有少量自然鋁。已知的含鋁礦物有250多種，其中最常見的是鋁硅酸鹽類。鋁合金是以鋁為基礎(chǔ)，加入一種或幾種其他元素（如銅、鎂、硅、錳、鋅等）構(gòu)成的合金，從而提高了強度。鋁合金具有良好的耐腐蝕性能和加工型。 金屬鋁最初是用化學法制取的。1825年丹麥化學家H. C. Orsted和1827年德國化學家F. Wohler分別用鉀汞齊和鉀還原無水氯化鋁，都得到少量金屬粉末。1854年F. Wohler還用氯化鋁氣體通過熔融鉀的表面，得到了金屬鋁珠，每顆重10 mg～15 mg，因而能夠初步測定鋁的密度，并認識到鋁的熔點不高，并具有延展性。電解法煉鋁起源于1854年，德國化學家R. W. Bunsen和法國化學家S. C. Deville分別點解氯化鈉-氯化鋁絡(luò)鹽，得到金屬鋁。1854年S. G. Devile在法國巴黎附近建立了一座小型煉鋁廠。1865年俄國化學家H. H. BeKeTOB提議用鎂來置換冰晶石中的鋁，這一方案被德國Gmelingen工廠采用。由于電解法興起，化學法便漸漸被淘汰。在整個化學法煉鋁階段中（1854-1895年），大約總共生產(chǎn)了200噸鋁。1883年美國人S.Bradley申請了電解熔融冰晶石的專利。 國內(nèi)方面，中國的煉鋁試驗工作起始自1934年天津的黃海化學工業(yè)社，用800A預焙陽極電解槽煉出金屬鋁。新中國成立后，中國鋁工業(yè)得到迅速發(fā)展。 傳統(tǒng)的鋁合金鑄造技術(shù)存在很多缺陷。鑄造鋁合金的生產(chǎn)制造中存在的缺陷主要體現(xiàn)在以下兩個方面。 （1）鑄造在鑄注過程中會伴隨很多缺陷的形成，如錯邊、尺寸不符、澆不足、氣孔、夾渣、針孔等，這些缺陷造成了鑄造工藝的廢品率在15%以上。 （2）鑄造工藝中由于冷卻速度較慢，通常會造成鋁合金晶粒異常長大，合金元素的偏析，嚴重影響鋁合金的力學性能。此外，鑄造鋁合金在應用過程中的焊接性較差，容易產(chǎn)生塌陷、熱裂紋、氣孔、燒穿等缺陷，同時還會發(fā)生鋁的氧化、合金元素的燒損蒸發(fā)等導致焊縫性能降低，目前鋁合金的連接問題也是制約其應用的瓶頸。 傳統(tǒng)的鑄造成型工藝從鑄錠到機加工再到最后的實際零部件，需要多道工序完成，且材料利用率低，某些復雜零部件的材料利用率僅10%左右，并且鑄造過程中對模具的要求極高，對于一些復雜程度高的小型零部件甚至無法用鑄造方法來成型。因此，鑄造等傳統(tǒng)成型加工方法在某些特定領(lǐng)域（航空航天部件、汽車用復雜零部件、礦物加工異形過流件等）的局限性日益明顯。 而3D打印技術(shù)可以針對性地解決上述鑄造工藝中暴露出的一些缺陷，滿足鑄造過程中加工困難或無法加工的特殊零部件的成型加工需求。隨著工業(yè)化進程的加快，人們對鋁合金零部件的結(jié)構(gòu)和鑄件性能的要求也日益提高，現(xiàn)在鋁合金結(jié)構(gòu)件的發(fā)展趨勢是復雜形狀結(jié)構(gòu)件的整體成型及工藝流程的智能化。形狀復雜，尺寸精密，小型薄壁，整體無余量零部件的快速生產(chǎn)制造是將來一段時期鋁合金零部件加工的發(fā)展方向。 優(yōu)勢&技術(shù)限制 鋁應用在3D打印中的優(yōu)勢： 1.熔點低。鋁的熔點低，因此其3D打印激光燒結(jié)溫度遠低于其他金屬材料。 2.密度小。鋁可用來制造輕結(jié)構(gòu)，有“會飛金屬”之稱。因此在打印物件時所需的支撐要求低于其他金屬材料。 3.可強化。純鋁強度不高，可通過添加各種元素變成鋁合金，使其強度提高。 4.塑性好，易加工。鋁可用來拉成管材和細絲，擠成各種型材。現(xiàn)在也有使用鋁材料進行FDM打印的研究報道。 鋁應用在3D打印中的缺陷： 1.化學活性高。鋁被制成粉末后，表面積增加，其化學活性進一步上升，容易燃燒，加工安全性較低。 2.強度低，機械性能不佳。 3.鋁表面上極易生成致密而牢固的氧化鋁薄膜，導致燒結(jié)困難。 鋁合金材料能夠在一定程度上克服上述缺點。鋁合金材料具有密度輕、彈性好、比剛度和比強度高、耐磨耐腐蝕性好、抗沖擊性好、導電導熱性好、良好的成型加工性能以及高的回收再生性等一系列優(yōu)良特性。鋁合金材料被應用于諸多領(lǐng)域：因其具有良好的導電性能，可代替銅作為導電材料；鋁具有良好的導熱性能，是制造機器活塞、熱交換器、飯鍋和電熨斗等的理想材料；鋁合金也被應用于建筑行業(yè)，如鋁門窗、結(jié)構(gòu)件、裝飾板、鋁幕墻等；航空航天、造船、石油及國防軍工部門更需要高精尖鋁合金材料。一家超音速飛機約由70%的鋁及其合金構(gòu)成。船舶建造中，一艘大型客船的用鋁量常達幾千噸。
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