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輕型、防碰撞,這款鋁合金3D打印材料或將滿足汽車零部件批量生產

來源:  3D科學谷     時間:  2020-03-23 15:53
根據SmarTech的預測,鋁合金占金屬3D打印中所有金屬粉末的消耗量(按體積計算)從2014年的5.1%逐漸提高到2026年的11.7%左右,鋁合金在汽車行業的10年復合增長率在51.2 %。
在汽車制造領域,鋁合金是實現輕量化的主力軍,著名咨詢公司達科國際公布的研究數據表明,歐洲汽車平均用鋁量自1990年已經翻了三倍,由50kg增長到目前的151kg,并將在2025年增長至196kg。[1]
輕量化并不僅僅是要求減重,而是要做到車輛的性能、安全、成本和重量四者之間的平衡。[1] 汽車鋁合金零部件制造的要求包括滿足碰撞性能,在不同情況下的有效性等。但當前的鋁合金增材制造工藝設計,主要是可以制造具有高抗性但并非高韌性的材料,而高斷裂延伸率對于滿足汽車碰撞時的性能要求尤其重要。
根據3D科學谷的市場觀察,德國汽車領域的工程企業EDAG聯合材料、科研、增材制造、仿真領域的八家合作伙伴,正在開發一款具有更高強度和更高的斷裂延伸率的輕型防撞3D打印鋁合金材料。
Part_Auto_DEAG用輕型防撞鋁合金材料3D打印的汽車零件。來源:EDAG
block 不僅僅是輕量化
在過去三年中,EDAG與合作伙伴研究了包括粉末制造、仿真模擬、零件開發在內的完整鋁合金增材制造工藝鏈。
在八家合作伙伴中,Fraunhofer研究所( IAPT)、GE 增材制造(GE Additive)開展的工作是基于粉末床激光熔化(LBM)技術進行這種新型鋁合金材料的增材制造工藝開發。Fraunhofer研究所( ITWM)對增材制造過程中材料快速冷卻進行了仿真模擬。汽車制造商梅賽德斯·奔馳和EDAG在仿真企業Altair的支持下,開展了性能仿真。
以上一些列圍繞著新型鋁合金材料增材制造工藝鏈的研究,目標是實現輕量化汽車零部件的批量生產。EDAG 與項目合作伙伴在實驗階段,研究了不同的合金材料,最能夠滿足實現目標需求的材料已在不同的激光熔化3D打印系統上進行了測試。
根據EDAG,合金的獨特之處在于它的多功能性,單一合金可以創造出廣泛的性能,這些特性可以通過下游熱處理工藝靈活地調節。EDAG 根據確定的材料參數生成材料圖,并使用Altair OptiStruct軟件進行結構優化,減少等冪部件的重量,以及考慮增材制造過程中的要求。
EDAG 選擇了多種汽車零部件進行優化,結果表明,動態高負荷的輪架和輪拱區域中具有高剛度要求的復雜組件也能夠實現有效的減重。其中部分組件減重達30%,超出了預期。由于這些零部件的制造方式是金屬3D打印技術,可以靈活滿足批量定制生產,因此這些組件均可以根據不同車輛的負載水平要求進行設計。
新型鋁合金研發合伙伙伴對這一鋁合金材料給出了積極的肯定,該材料將在幾個月后上市,商標為 CustAlloy®。EDAG表示,CustAlloy®在強度、延展性、防腐蝕性等方面滿足汽車行業的要求,并將成為一款適合汽車輕量化、防碰撞零部件批量生產的3D打印材料。EDAG 針對這款材料開發的增材制造工藝和經過實踐檢驗的仿真模擬方法,都是幫助用戶使用這款材料進行零部件批量生產的有效工具。
block 3D科學谷Review
3D打印技術可以解決極端復雜的精密構件加工制造難題,在隨形內流道、復雜薄壁、點陣鏤空、復雜內腔、多部件集成等復雜結構問題上有先天優勢,是3D打印技術快速發展的重要領域。
在3D打印鋁合金的應用中,由于傳統鋁合金的成形特點,大部分牌號不適用于3D打印,僅有適用于3D打印的幾種鑄鋁牌號合金,例如AlSi10Mg、AlSi7Mg。[2]
根據3D科學谷的市場觀察,在2019年,鋁合金3D打印材料取得了顯著的進展,主要體現在新型高強度3D打印鋁合金材料的出現。以下三種高強度鋁合金新材料頗為典型:
蘇州倍豐創始人、澳大利亞工程院吳鑫華院士領導的莫納什大學研究團隊成功開發出了牌號為Al250C 的高強高韌增材制造專用鋁合金材料,該材料強度達到目前可用于3D打印的鋁合金材料中最高水平,屈服強度可達580MPa,抗拉強度590MPa以上,延伸率可達11%,用該材料制作航空鋁合金3D打印結構件,更有希望替代目前航空航天上的部分鈦合金構件,達到航天航空領域降低重量與節約成本的目的。
英國的鑄造企業Aeromet International 通過鋁合金粉末A20X所制造的零件已經超過500MPa的極限拉伸強度(UTS)。Aeromet 稱,這一成就使的該鋁合金材料成為“市售的用于增材制造的最強鋁合金粉末之一”。
HRL實驗室在2019年10月,將開發的3D打印用高強度7A77.60L鋁粉正式投放市場。成型后的材料無裂紋、等軸(即晶粒在長度、寬度和高度上大致相等),實現了細晶粒微觀結構,并與鍛造材料具有相當的材料強度,3D打印的鋁合金材料平均屈服強度高達580 MPa,極限強度超過600 MPa,平均延伸率超過8%。
新出現的高強度鋁合金3D打印材料,側重于在航空航天高附加值零件制造中的應用。對于汽車制造領域而言,常用鋁合金材料成本較低,但目前金屬3D打印仍屬于成本高的技術,這似乎成為鋁合金3D打印技術在汽車零部件批量生產中應用的阻力。
然而,從EDAG 在過去幾年中所開展的汽車零部件3D打印項目中可以看到,EDAG 致力于開發具有顛覆性的新一代車輛以及一些高附加值汽車零部件,例如EDAG 與德國博世合作設計的概念車Soulmate, 其輕量化車身由3D打印“骨架結構” 和一層輕薄的覆蓋外層所構成,其中的3D打印“骨架結構” 制造方式也為粉末床激光熔化工藝。
在3D科學谷看來,EDAG 即將推出的 CustAlloy® 3D打印鋁合金材料,或將面向在設計上極具顛覆性的下一代車輛。當然,由于目前該材料的價格,以及強度、延伸率等具體性能尚未浮出水面,3D科學谷將對該材料的市場競爭力繼續保持市場觀察。
參考資料:
[1] 材料牛.《鋁合金:汽車輕量化的主力》
[2] 北京寶航新材料. 《性能優良的鋁合金材料,如何突破3D打印瓶頸?》
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由中國模具工業協會組編、武兵書會長主編、18位模具行業專家、教授參與撰稿的《中國戰略性新興產業研究與... 更多
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