研究

美国的研究更深入地研究了3D打印铝零件的结构完整性

由来自美国的工程师组成的研究团队奥本大学EOS北美对3D打印铝(Al)合金的结构完整性的构建方向的影响进行了更深入的研究。

该团队将五种最受欢迎的铝合金粉末进行了测试,其中包括AlSi10Mg,鳞片,奎斯特克艾尔,Addalloy®5 t(AD1)和AlF357。利用粉末床熔合3D打印技术,他们研究了构建方向如何改变部件微观结构、材料孔隙率和疲劳行为等性能,这些都是理解材料是否适合高应力工业应用的关键。

研究报告解释说:“在增材制造中使用铝合金最近获得了显著的关注,特别是在航空航天工业中。这已经导致引进新的高强度铝合金,更兼容AM工艺。然而,在将这些新开发的铝合金应用于关键的安全承重应用之前,研究其结构完整性至关重要。”

五种铝粉的SEM成像。图片来自奥本大学。
五种铝粉的SEM成像。图片来自奥本大学。

铝在添加剂制造业中的崛起

随着金属3D打印迅速成为汽车、国防和医疗等行业的战略工具,新材料创新层出不穷。特别是铝合金,因其高强度重量比、淬透性和优异的耐腐蚀性而闻名,使其成为航空航天和汽车运动领域广泛应用的首选。

然而,根据奥本研究人员的说法,3D打印铝合金通常比其他材料更具挑战性。粉末颗粒重量轻,流动性差,吸湿性好,导热系数高,易氧化。这一系列问题增加了3D打印铝零件缺陷的风险,众所周知,这对任何材料的机械性能(特别是疲劳性能)都是有害的。

有趣的是,零件的构造方向也被证明是造成缺陷的类型、大小和频率的主要因素。这归因于零件在不同方向上所经历的热历史变化,因此有必要评估建造方向可能如何影响3D打印铝组件的疲劳行为。

空气动力赛车小翼由斯卡尔马合金制造。通过APWORKS照片。
空气动力赛车小翼由斯卡尔马合金制造。通过APWORKS照片。

建筑朝向对结构完整性的影响

该研究涉及在垂直和水平方向3D打印AlSi10Mg、Scalmalloy、QuesTek Al、AD1和AlF357样品。

首先,成形取向对铝合金零件的晶粒结构没有显著影响。然而,当谈到缺陷时,水平试样的体积缺陷水平比垂直试样的体积缺陷水平高得多。Scalmalloy和AD1在垂直和水平构建之间表现出最低的缺陷密度变化,这是由这两种合金相对较低的热导率解释的。

将两种合金进行对比,发现AD1在疲劳性能方面优于AlSi10Mg、QuesTek Al和AlF357,而不考虑合金的构造取向。这是AD1低缺陷密度、高拉伸强度和高伸长率的结果。水平方向的scalmalalloy零件的疲劳性能略弱于水平方向的AD1零件,而两种合金的垂直方向试样的疲劳寿命相当。

该研究总结道:“尽管该研究没有提供整体的疲劳性能,但对于五种不同取向的现代LB-PBF铝合金所产生的数据和知识,可以帮助AM用户选择合适的铝合金。然而,AM用户在将每种合金用于特定应用之前,可能需要生成更多数据。”

对于所有五种合金,水平结构的孔隙率显著高于垂直结构。图片来源于奥本大学。
对于所有五种合金,水平结构的孔隙率显著高于垂直结构。图片来源于奥本大学。

这项研究的更多细节可以在题为“附加制造铝合金的结构完整性:构建方向对微观结构、孔隙率和疲劳行为的影响’. 该书由P.D.Nezhadfar、Spencer Thompson等人合著。

今年初夏,意大利3D打印服务提供商BEAMIT开发了一个用于3D打印高性能的al2024铝合金.现在已经合格的材料,该公司认为,它在室温和高温下比其他类似的合金表现更好,使其成为生产耐用的底盘,悬挂和发动机部件与赛车应用。

最近,英国的数字制造中心(DMC)刚刚成为一个批准的3D打印零件供应商制造的Scalmalloy. 作为供应商认证的一部分,DMC 3D打印了一套Scalmalloy组件,然后由供应商进行检查APWORKS,材料的开发者。所获得的零件质量使DMC在全球Scalmalloy零件供应商中排名前1%。

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特征图像显示了五种铝粉的SEM图像。图片来源于奥本大学。