鋁合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕、可回收性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是汽車(chē)輕量化的理想材料。3D打印+鋁合金已經(jīng)被制造商用于開(kāi)發(fā)包括復(fù)雜的幾何形狀、隨形冷卻通道在內(nèi)的特殊零件。

但由于經(jīng)濟(jì)效益低，這一技術(shù)在汽車(chē)生產(chǎn)中并未得到廣泛應(yīng)用，鑄造和開(kāi)模仍是主流的生產(chǎn)方式。如何解決3D打印成本過(guò)高，真正推動(dòng)其走向大批量生產(chǎn)，是擺在3D打印企業(yè)面前的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

一種專(zhuān)為鋁設(shè)計(jì)的3D打印工藝，圖片來(lái)自：Alloy Enterprises

為了改變這一現(xiàn)狀，Alloy Enterprises應(yīng)運(yùn)而生，這家3D打印初創(chuàng)公司成立于2020年初，總部位于馬薩諸塞州，過(guò)去2年共獲得了超1000萬(wàn)美元的融資。它開(kāi)發(fā)了一種新的3D打印工藝，旨在提供高產(chǎn)量的全致密鋁部件，使制造商能夠從原型設(shè)計(jì)擴(kuò)展到批量生產(chǎn)。

在Alloy看來(lái)，以前沒(méi)有真正的3D打印工藝專(zhuān)為鋁材設(shè)計(jì)，所以他們以此為方向，開(kāi)發(fā)了一種專(zhuān)為鋁設(shè)計(jì)的選擇性擴(kuò)散粘合工藝，使用專(zhuān)有的片狀鋁作為原料，而不是粉末。

據(jù)該公司稱(chēng)，這一新工藝將能夠擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模、降低成本并提高安全性和易用性。同時(shí)，有助于3D打印在汽車(chē)和工業(yè)等垂直領(lǐng)域獲得更廣泛的應(yīng)用，并最終取代鑄造等傳統(tǒng)工藝。

走向批量生產(chǎn)，材料是關(guān)鍵

選擇性擴(kuò)散粘合是一種基于片材的工藝，屬于分層實(shí)體制造的一種。在材料上，該公司沒(méi)有發(fā)明一種新的制造方法來(lái)生產(chǎn)他們的新型鋁原料，而是通過(guò)使用與鋁箔和汽水罐相同的鋁軋制工藝獲得。據(jù)Alloy Enterprises公司創(chuàng)始人Forsyth表示：“想要在批量生產(chǎn)中獲得真正具有競(jìng)爭(zhēng)力，以粉末為出發(fā)點(diǎn)是很困難的。而采取鋁軋制工藝不需要重新考慮如何獲得高產(chǎn)量和低成本的原料，這一步非常的關(guān)鍵。”

使用到的鋁合金片材，圖片來(lái)自：Alloy Enterprises

到目前為止，公司已經(jīng)生產(chǎn)了14噸材料，據(jù)說(shuō)成本是鋁粉的1/25。除了成本之外，不使用粉末還省去了烘烤、篩分和脫粉等步驟。軋制鋁材沒(méi)有金屬粉末固有的危害，該過(guò)程不需要呼吸器或特殊存儲(chǔ)等防護(hù)設(shè)備，并且沒(méi)有材料爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。

2臺(tái)機(jī)器配合，切割與粘合

選擇性擴(kuò)散粘合工藝（1-3），圖片來(lái)自：Alloy Enterprises

選擇性擴(kuò)散粘合使用到了2臺(tái)機(jī)器。第一個(gè)稱(chēng)為Construct機(jī)器，用激光切割零件的輪廓，并將片材堆疊起來(lái)，然后在材料的某些區(qū)域涂抹抑制劑以形成支撐物。同時(shí)機(jī)器還能對(duì)每一層進(jìn)行掃描檢查，確保產(chǎn)品質(zhì)量，提高打印成功率。

選擇性擴(kuò)散粘合工藝（4-5），圖片來(lái)自：Alloy Enterprises

這些完成后，操作員將零件移至Bond機(jī)器。在這臺(tái)機(jī)器中，除了涂有抑制劑的區(qū)域外，零件經(jīng)過(guò)擴(kuò)散粘合工藝將材料片熔合在一起。在擴(kuò)散粘合過(guò)程中，片材堆疊成為一塊材料，然后拆除支撐材料，再進(jìn)行熱處理得到最終的零件。

和傳統(tǒng)鑄件一樣，也可以通過(guò)CNC進(jìn)行二次精加工處理，但是3D打印相比于鑄造，可以生產(chǎn)復(fù)雜的幾何形狀和隨形冷卻通道。另外，采用高強(qiáng)度鋁合金（如6061）生產(chǎn)，其機(jī)械性能優(yōu)于傳統(tǒng)鑄造零件，而且所需的時(shí)間更短。

下一階段，成為零件供應(yīng)商

目前，Alloy Enterprises正在其實(shí)驗(yàn)室中運(yùn)行功能齊全的測(cè)試系統(tǒng)。它為客戶(hù)生產(chǎn)零件，客戶(hù)對(duì)其進(jìn)行評(píng)估、鑒定并向公司提供反饋。同時(shí)，該公司還在開(kāi)發(fā)下一代機(jī)器，將能夠在一年內(nèi)生產(chǎn)超過(guò)7噸的零件，未來(lái)計(jì)劃成為零部件供應(yīng)商，在其工廠生產(chǎn)零部件。

生產(chǎn)的工業(yè)零部件樣品，圖片來(lái)自：Alloy Enterprises

對(duì)于其材料規(guī)劃，該公司目前仍專(zhuān)注于6061鋁合金，但也不排除在未來(lái)添加更多材料，以及擴(kuò)展技術(shù)的其他可能方式。

事實(shí)上，除了Alloy通過(guò)選擇性擴(kuò)散粘合的解決方案外，來(lái)自比利時(shí)的初創(chuàng)公司ValCUN也給出了一種不一樣的方案，熔融金屬沉積 (MMD)技術(shù)。其原理是通過(guò)將預(yù)熱的熔融金屬擠壓到工件上，工件通過(guò)電流加熱而產(chǎn)生等離子射流，等離子體射流加熱熔融材料將其沉積，并一層層融合形成零件。

想要實(shí)現(xiàn)真正的金屬3D打印經(jīng)濟(jì)批量化生產(chǎn)，還需要有更多新技術(shù)的出現(xiàn)，我們也期待國(guó)內(nèi)企業(yè)有類(lèi)似創(chuàng)新，給未來(lái)的3D打印市場(chǎng)帶來(lái)更多驚喜。

鋁合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕、可回收性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是汽車(chē)輕量化的理想材料。3D打印+鋁合金已經(jīng)被制造商用于開(kāi)發(fā)包括復(fù)雜的幾何形狀、隨形冷卻通道在內(nèi)的特殊零件。

但由于經(jīng)濟(jì)效益低，這一技術(shù)在汽車(chē)生產(chǎn)中并未得到廣泛應(yīng)用，鑄造和開(kāi)模仍是主流的生產(chǎn)方式。如何解決3D打印成本過(guò)高，真正推動(dòng)其走向大批量生產(chǎn)，是擺在3D打印企業(yè)面前的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

一種專(zhuān)為鋁設(shè)計(jì)的3D打印工藝，圖片來(lái)自：Alloy Enterprises

為了改變這一現(xiàn)狀，Alloy Enterprises應(yīng)運(yùn)而生，這家3D打印初創(chuàng)公司成立于2020年初，總部位于馬薩諸塞州，過(guò)去2年共獲得了超1000萬(wàn)美元的融資。它開(kāi)發(fā)了一種新的3D打印工藝，旨在提供高產(chǎn)量的全致密鋁部件，使制造商能夠從原型設(shè)計(jì)擴(kuò)展到批量生產(chǎn)。

在Alloy看來(lái)，以前沒(méi)有真正的3D打印工藝專(zhuān)為鋁材設(shè)計(jì)，所以他們以此為方向，開(kāi)發(fā)了一種專(zhuān)為鋁設(shè)計(jì)的選擇性擴(kuò)散粘合工藝，使用專(zhuān)有的片狀鋁作為原料，而不是粉末。

據(jù)該公司稱(chēng)，這一新工藝將能夠擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模、降低成本并提高安全性和易用性。同時(shí)，有助于3D打印在汽車(chē)和工業(yè)等垂直領(lǐng)域獲得更廣泛的應(yīng)用，并最終取代鑄造等傳統(tǒng)工藝。

走向批量生產(chǎn)，材料是關(guān)鍵

選擇性擴(kuò)散粘合是一種基于片材的工藝，屬于分層實(shí)體制造的一種。在材料上，該公司沒(méi)有發(fā)明一種新的制造方法來(lái)生產(chǎn)他們的新型鋁原料，而是通過(guò)使用與鋁箔和汽水罐相同的鋁軋制工藝獲得。據(jù)Alloy Enterprises公司創(chuàng)始人Forsyth表示：“想要在批量生產(chǎn)中獲得真正具有競(jìng)爭(zhēng)力，以粉末為出發(fā)點(diǎn)是很困難的。而采取鋁軋制工藝不需要重新考慮如何獲得高產(chǎn)量和低成本的原料，這一步非常的關(guān)鍵。”

使用到的鋁合金片材，圖片來(lái)自：Alloy Enterprises

到目前為止，公司已經(jīng)生產(chǎn)了14噸材料，據(jù)說(shuō)成本是鋁粉的1/25。除了成本之外，不使用粉末還省去了烘烤、篩分和脫粉等步驟。軋制鋁材沒(méi)有金屬粉末固有的危害，該過(guò)程不需要呼吸器或特殊存儲(chǔ)等防護(hù)設(shè)備，并且沒(méi)有材料爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。

2臺(tái)機(jī)器配合，切割與粘合

選擇性擴(kuò)散粘合工藝（1-3），圖片來(lái)自：Alloy Enterprises

選擇性擴(kuò)散粘合使用到了2臺(tái)機(jī)器。第一個(gè)稱(chēng)為Construct機(jī)器，用激光切割零件的輪廓，并將片材堆疊起來(lái)，然后在材料的某些區(qū)域涂抹抑制劑以形成支撐物。同時(shí)機(jī)器還能對(duì)每一層進(jìn)行掃描檢查，確保產(chǎn)品質(zhì)量，提高打印成功率。

選擇性擴(kuò)散粘合工藝（4-5），圖片來(lái)自：Alloy Enterprises

這些完成后，操作員將零件移至Bond機(jī)器。在這臺(tái)機(jī)器中，除了涂有抑制劑的區(qū)域外，零件經(jīng)過(guò)擴(kuò)散粘合工藝將材料片熔合在一起。在擴(kuò)散粘合過(guò)程中，片材堆疊成為一塊材料，然后拆除支撐材料，再進(jìn)行熱處理得到最終的零件。

和傳統(tǒng)鑄件一樣，也可以通過(guò)CNC進(jìn)行二次精加工處理，但是3D打印相比于鑄造，可以生產(chǎn)復(fù)雜的幾何形狀和隨形冷卻通道。另外，采用高強(qiáng)度鋁合金（如6061）生產(chǎn)，其機(jī)械性能優(yōu)于傳統(tǒng)鑄造零件，而且所需的時(shí)間更短。

下一階段，成為零件供應(yīng)商

目前，Alloy Enterprises正在其實(shí)驗(yàn)室中運(yùn)行功能齊全的測(cè)試系統(tǒng)。它為客戶(hù)生產(chǎn)零件，客戶(hù)對(duì)其進(jìn)行評(píng)估、鑒定并向公司提供反饋。同時(shí)，該公司還在開(kāi)發(fā)下一代機(jī)器，將能夠在一年內(nèi)生產(chǎn)超過(guò)7噸的零件，未來(lái)計(jì)劃成為零部件供應(yīng)商，在其工廠生產(chǎn)零部件。

生產(chǎn)的工業(yè)零部件樣品，圖片來(lái)自：Alloy Enterprises

對(duì)于其材料規(guī)劃，該公司目前仍專(zhuān)注于6061鋁合金，但也不排除在未來(lái)添加更多材料，以及擴(kuò)展技術(shù)的其他可能方式。

事實(shí)上，除了Alloy通過(guò)選擇性擴(kuò)散粘合的解決方案外，來(lái)自比利時(shí)的初創(chuàng)公司ValCUN也給出了一種不一樣的方案，熔融金屬沉積 (MMD)技術(shù)。其原理是通過(guò)將預(yù)熱的熔融金屬擠壓到工件上，工件通過(guò)電流加熱而產(chǎn)生等離子射流，等離子體射流加熱熔融材料將其沉積，并一層層融合形成零件。

想要實(shí)現(xiàn)真正的金屬3D打印經(jīng)濟(jì)批量化生產(chǎn)，還需要有更多新技術(shù)的出現(xiàn)，我們也期待國(guó)內(nèi)企業(yè)有類(lèi)似創(chuàng)新，給未來(lái)的3D打印市場(chǎng)帶來(lái)更多驚喜。