导读：在众多 金属粉末材料的3D打印中， 铝合金粉末似乎是一个特别的存在。这与铝合金粉末具本身的理化性能有很大关系，微细铝合金粉末可燃、易氧化、吸潮的属性给它的生产、存储和运输都带来了巨大的麻烦。此外，铝合金粉较差的流动性和很高的激光反射率同样给它的打印过程带来了很大挑战。
但是，铝合金又因其轻质、高强、高导热、耐腐蚀、导电等诸多优良特性在 航空航天、国防 军工、 汽车、电子、 建筑等领域有着巨大的应用潜力。因此为了推进铝合金在金属打印领域的进一步应用，世界各国的科学家都在对铝合金的金属3D打印方面进行着探索。
2021年9月21日，南极熊获悉，由奥本大学和 EOS北美公司的工程师组成的研究小组深入研究了构建方向对3D打印铝（Al）合金结构完整性的影响。
该团队对5种最流行的铝合金粉末进行了测试，包括AlSi10Mg、Scalmalloy、QuesTekAl、Addalloy® 5T（AD1）和AlF357。他们通过采用粉末床熔融3D打印技术，研究了构建方向如何改变诸如零件微观结构、材料孔隙率和疲劳行为等特性，这些特性对于了解材料是否适合高压工业应用是不可或缺的。
研究论文解释说："使用铝合金进行增材制造最近获得了极大的关注，特别是在航空航天业。这促进了新型高强度铝合金的引入，使增材制造工艺变得更加兼容。然而，在将这些新开发的铝合金部署到安全关键的承重应用中之前，调查其结构完整性是至关重要的"。
△5种不同铝粉的SEM图像。图片来自奥本大学
铝材料在增材制造中的崛起
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，新的材料创新也在不断出现。特别是铝合金，以其高强度重量比、淬透性和出色的耐腐蚀性而闻名，使其成为航空航天和赛车领域各种应用的首要选择。
然而，据奥本大学的研究人员称，3D打印铝合金往往比其他材料更具挑战性。粉末颗粒很轻，表现出较差的流动性，吸引水分，具有较高的导热性，并且极易被氧化。这一连串的问题增加了3D打印的铝零件的缺陷风险，众所周知，这对任何材料的机械性能（尤其是疲劳性能）都是有害的。
有趣的是，零件的构建方向也被证明是产生缺陷的类型、大小和频率的一个主要因素。这被归因于不同方向的部件所经历的热历史的变化，因此有必要评估构建方向如何影响3D打印铝部件的疲劳行为。
△用Scalmalloy制造的空气动力运动小翼。照片来自APWORKS
构建方向对结构完整性的影响
这项研究涉及在垂直和水平方向上3D打印AlSi10Mg、Scalmalloy、QuesTek Al、AD1和AlF357样品。
首先，建造方向对铝零件的晶粒结构没有明显影响。然而，当涉及到缺陷时，水平试样的体积缺陷水平比其垂直方向的试样高得多。Scalmalloy和AD1在垂直和水平建造之间表现出最低的缺陷密度变化，这是因为这两种合金的热导率相对较低。
将这些合金相互比较，AD1的疲劳性能优于AlSi10Mg、QuesTek Al和AlF357，而不考虑建造方向。这是由于AD1的低缺陷密度、高抗拉强度和高伸长率的结果。虽然水平的Scalmalloy部件的疲劳性能比水平的AD1部件稍弱，但这两种合金的垂直试样的疲劳寿命是相当的。
最终该研究的结论是："尽管研究结果没有提供整体的疲劳性能，但对于这五种当今流行的LB-PBF铝合金，我们可以依据在不同方向上构建的数据和获取的结果来帮助AM用户为其应用选择合适的铝合金。尽管如此，在将每种合金用于具体应用之前，AM用户可能需要为其生成更多的试验数据"。
△在5种合金中，水平构建的孔隙率明显高于垂直构建的孔隙率。图片来自奥本大学
该研究的进一步细节可以在题为 "Structural integrityof additively manufactured aluminum alloys: Effects of build orientation on microstructure,porosity, and fatigue behavior"。它是由P.D. Nezhadfar,Spencer Thompson等人共同撰写的。
此外，在今夏早些时候，意大利3D打印服务提供商BEAMIT开发了一套用于3D打印高性能Al2024铝合金的参数统计。他们认为，铝材料在室温和高温下都比其他同类合金表现得更好，是生产耐用底盘、悬架和发动机等赛车应用部件的理想材料。
最近，英国的数字制造中心（DMC）刚刚成为Scalmalloy制作3D打印部件的认证供应商。作为供应商认证要求的一部分，DMC 3D打印了一套Scalmalloy部件，然后由该材料的开发商APWORKS进行检查。测试结果表明：所达到的零件质量使DMC在全球Scalmalloy零件供应商中排名前1%。
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