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轻型、防碰撞,这款铝合金3D打印材料或将满足汽车零部件批量生产

时间:2020-03-21 20:38 来源:3D科学谷 作者:中国3D打印网 阅读:
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       根据SmarTech的预测,铝合金占金属3D打印中所有金属粉末的消耗量(按体积计算)从2014年的5.1%逐渐提高到2026年的11.7%左右,铝合金在汽车行业的10年复合增长率在51.2 %。在汽车制造领域,铝合金是实现轻量化的主力军,著名咨询公司达科国际公布的研究数据表明,欧洲汽车平均用铝量自1990年已经翻了三倍,由50kg增长到目前的151kg,并将在2025年增长至196kg。[1]

        轻量化并不仅仅是要求减重,而是要做到车辆的性能、安全、成本和重量四者之间的平衡。[1] 汽车铝合金零部件制造的要求包括满足碰撞性能,在不同情况下的有效性等。但当前的铝合金增材制造工艺设计,主要是可以制造具有高抗性但并非高韧性的材料,而高断裂延伸率对于满足汽车碰撞时的性能要求尤其重要。德国汽车领域的工程企业EDAG联合材料、科研、增材制造、仿真领域的八家合作伙伴,正在开发一款具有更高强度和更高的断裂延伸率的轻型防撞3D打印铝合金材料。

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用轻型防撞铝合金材料3D打印的汽车零件。来源:EDAG

block 不仅仅是轻量化

     在过去三年中,EDAG与合作伙伴研究了包括粉末制造、仿真模拟、零件开发在内的完整铝合金增材制造工艺链。在八家合作伙伴中,Fraunhofer研究所( IAPT)、GE 增材制造(GE Additive)开展的工作是基于粉末床激光熔化(LBM)技术进行这种新型铝合金材料的增材制造工艺开发。Fraunhofer研究所( ITWM)对增材制造过程中材料快速冷却进行了仿真模拟。汽车制造商梅赛德斯·奔驰和EDAG在仿真企业Altair的支持下,开展了性能仿真。

以上一些列围绕着新型铝合金材料增材制造工艺链的研究,目标是实现轻量化汽车零部件的批量生产。EDAG 与项目合作伙伴在实验阶段,研究了不同的合金材料,最能够满足实现目标需求的材料已在不同的激光熔化3D打印系统上进行了测试。

       根据EDAG,合金的独特之处在于它的多功能性,单一合金可以创造出广泛的性能,这些特性可以通过下游热处理工艺灵活地调节。EDAG 根据确定的材料参数生成材料图,并使用Altair OptiStruct软件进行结构优化,减少等幂部件的重量,以及考虑增材制造过程中的要求。EDAG 选择了多种汽车零部件进行优化,结果表明,动态高负荷的轮架和轮拱区域中具有高刚度要求的复杂组件也能够实现有效的减重。其中部分组件减重达30%,超出了预期。由于这些零部件的制造方式是金属3D打印技术,可以灵活满足批量定制生产,因此这些组件均可以根据不同车辆的负载水平要求进行设计。

新型铝合金研发合伙伙伴对这一铝合金材料给出了积极的肯定,该材料将在几个月后上市,商标为 CustAlloy®。EDAG表示,CustAlloy®在强度、延展性、防腐蚀性等方面满足汽车行业的要求,并将成为一款适合汽车轻量化、  防碰撞零部件批量生产的3D打印材料。EDAG 针对这款材料开发的增材制造工艺和经过实践检验的仿真模拟方法,都是帮助用户使用这款材料进行零部件批量生产的有效工具。

block Review

     3D打印技术可以解决极端复杂的精密构件加工制造难题,在随形内流道、复杂薄壁、点阵镂空、复杂内腔、多部件集成等复杂结构问题上有先天优势,是3D打印技术快速发展的重要领域。在3D打印铝合金的应用中,由于传统铝合金的成形特点,大部分牌号不适用于3D打印,仅有适用于3D打印的几种铸铝牌号合金,例如AlSi10Mg、AlSi7Mg。[2]在2019年,铝合金3D打印材料取得了显著的进展,主要体现在新型高强度3D打印铝合金材料的出现。以下三种高强度铝合金新材料颇为典型:

     苏州倍丰创始人、澳大利亚工程院吴鑫华院士领导的莫纳什大学研究团队成功开发出了牌号为Al250C 的高强高韧增材制造专用铝合金材料,该材料强度达到目前可用于3D打印的铝合金材料中最高水平,屈服强度可达580MPa,抗拉强度590MPa以上,延伸率可达11%,用该材料制作航空铝合金3D打印结构件,更有希望替代目前航空航天上的部分钛合金构件,达到航天航空领域降低重量与节约成本的目的。

英国的铸造企业Aeromet International 通过铝合金粉末A20X所制造的零件已经超过500MPa的极限拉伸强度(UTS)。Aeromet 称,这一成就使的该铝合金材料成为“市售的用于增材制造的最强铝合金粉末之一”。

HRL实验室在2019年10月,将开发的3D打印用高强度7A77.60L铝粉正式投放市场。成型后的材料无裂纹、等轴(即晶粒在长度、宽度和高度上大致相等),实现了细晶粒微观结构,并与锻造材料具有相当的材料强度,3D打印的铝合金材料平均屈服强度高达580 MPa,极限强度超过600 MPa,平均延伸率超过8%。

新出现的高强度铝合金3D打印材料,侧重于在航空航天高附加值零件制造中的应用。对于汽车制造领域而言,常用铝合金材料成本较低,但目前金属3D打印仍属于成本高的技术,这似乎成为铝合金3D打印技术在汽车零部件批量生产中应用的阻力。

然而,从EDAG 在过去几年中所开展的汽车零部件3D打印项目中可以看到,EDAG 致力于开发具有颠覆性的新一代车辆以及一些高附加值汽车零部件,例如EDAG 与德国博世合作设计的概念车Soulmate, 其轻量化车身由3D打印“骨架结构” 和一层轻薄的覆盖外层所构成,其中的3D打印“骨架结构” 制造方式也为粉末床激光熔化工艺。

在3D科学谷看来,EDAG 即将推出的 CustAlloy® 3D打印铝合金材料,或将面向在设计上极具颠覆性的下一代车辆。当然,由于目前该材料的价格,以及强度、延伸率等具体性能尚未浮出水面,3D科学谷将对该材料的市场竞争力继续保持市场观察。

更多关于铝合金3D打印市场情况与发展趋势,敬请关注3D科学谷将于近期发布的《铝金属3D打印白皮书1.0》。

参考资料:

[1] 材料牛.《铝合金:汽车轻量化的主力》

[2] 北京宝航新材料. 《性能优良的铝合金材料,如何突破3D打印瓶颈?》

(责任编辑:中国3D打印网)

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