开发铝基增材制造工艺

随着市场对电动汽车需求的增加，从而提升了对铝等坚固、轻质材料的需求。与此同时，制造商们还希望获得3D打印的优势，包括复杂的几何形状、随形冷却通道和无需模具。但铝的材料特性尤其是6061等合金，使用粉末床工艺很难打印。

凭借其高强度重量比和可回收性，铝是汽车零件的流行材料选择，例如这个演示零件，它以汽车逆变

器外壳为模型。但生产大批量铝制零件的传统方法（例如铸造）需要永久性工具，这可能会造成供应链问题

3D打印铝

Forsyth于2020年初成立了Alloy Enterprises。在获得哈佛大学工程学博士学位后，她先后在6家硬件初创公司工作包括Desktop Metal，在那里她遇到了Alloy's的首席技术官Nick Mykulowycz，他开发了5种金属添加剂工艺。

Forsyth说她在Open Water Power工作期间对铝产生了兴趣，这是一家为无人水下航行器开发铝制海水电池的初创公司。铝可以无限可回收，作为一个起点，这简直令人难以置信。另外，铝的强度重量比是钢的两倍，很容易看出为什么铝在汽车应用中如此有用，尤其是在汽车制造商正在寻求减轻电动汽车重量的情况下。与此同时，增材制造技术总体上开始取得突破。

Forsyth表示，行业有机会利用当前的技术进步，但仍然需要在降低成本方面迈出一步以打入更高容量的市场。具体来说，该团队希望不再使用铝粉，以帮助扩大生产规模、降低成本并提高安全性和易用性。这将有助于增材制造在汽车和工业设备市场垂直领域获得更广泛的采用，并取代铸造等传统工艺。“我们在部分量产中看到了这种空白，其中没有任何制造工艺、增材制造或传统工艺能够满足市场需求。”她指出。 

Alloy Enterprises的选择性扩散粘合工艺是一种专为铝设计的增材制造工艺，使用专有的片状铝作为原料而不是粉末。由此产生的零件，包括这个以机油滤清器外壳为模型的演示零件，都是均质的6061铝材，其强度和断裂伸长率比铸造材料高出不少

选择性扩散粘合

选择性扩散粘合是一种基于板材的工艺，使用该公司开发的新型铝原料。Forsyth解释说：“为了使粘接过程有效，需要这种材料。”但关键是该公司没有发明新的制造方法来生产这种材料。“我们依靠的是铝箔轧制工艺，”她说，“它可以制造厨房里的铝箔和汽水罐。”

到目前为止，公司已经生产了14吨材料，据说成本是铝粉的1/25。“不必重新考虑如何获得高产量和低成本的原料真的很关键，”Forsyth谈到，“随着公司扩大生产规模，这也将是必不可少的。要想在更大的产量上真正具有竞争力，以粉末为出发点是很困难的。”

不使用超出成本的粉末有好处。它消除了烘烤、筛分和去粉等步骤。轧制铝没有金属粉末固有的危险。该过程不需要防护设备，如呼吸器或特殊存储，也没有材料爆炸的风险。选择性扩散键合涉及两台机器。第一种被称为“构造”，它将材料薄片分开，并用激光切割零件的轮廓。Forsyth指出：“这有一个速度优势，因为我们不需要逐个像素扫描整个区域。只是勾勒出轮廓。”然后，机器将抑制剂应用于材料的某些区域，防止材料层粘合，从而形成支撑、悬垂和其他复杂的几何形状。

“构造”设备在扫描每层的过程中进行检查。Forsyth说：“增材制造行业的每个人都经历过这样一个时刻，当他们在早上来的时候发现昨晚的建造经历了失败。或者更糟的是，你的零件内部有缺陷，只能通过无损检测来检测。”检测降低了公司产品的故障率，使其能够在开发和改进工艺的过程中取得快速进展。

在选择性扩散粘合中，设备激光切割材料片并施加形成支撑的抑制剂。

将片材堆叠并粘合后，将支撑件拆开以露出零件

在这台设备中，除了涂有抑制剂的区域外，零件经过扩散粘合工艺将材料片熔合在一起。在扩散粘合过程中，片材堆叠成为一块材料，其中的零件水平和垂直嵌套在内部。然后支撑材料会脱落，露出零件。

由此产生的零件是均质的6061铝，其强度和断裂伸长率比铸造材料更好。断开的支架由相同的6061材料制成。这是一种已知的成分，而且足够大且干净，具有报废价值所以它会回到工厂并被重复使用。然后零件经过标准热处理。如果需要也可以加工精密公差特征，类似于传统铸件，尽管Forsyth预计后处理的需要将最小化。她说，该公司从客户那里得到了关于打印零件表面光洁度的良好反馈。

与其他制造方法相比，在设计选择性扩散键合时需要考虑的因素更少。只要零件是可浇铸的并且在机器的制造体积内，Alloy Enterprises就可以生产它，同时包括铸件所无法实现的复杂几何形状和冷却通道。

该客户零件为一家工业设备制造商展示了选择性扩散粘合可以实现的构建表面光洁度

进入下一阶段

目前，Alloy Enterprises正在实验室中运行全功能试点系统。客户正在评估、鉴定零件，并向公司提供反馈。Forsyth解释道：“我们很早就与客户接触，以确保我们在为实际应用制造真正的部件。”

该公司正在开发下一代设备并计划扩展。Forsyth说：“我们目前正在设计的系统，一台设备一年内将能生产7吨以上的零件。”它还扩大了专有材料的生产。她补充道：“我们已经为此建立了供应链，可以安全、经济地完成。”从那里开始，该公司计划作为零件供应商，在其工厂制造零件，该工厂也被称为数字铝厂。

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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