增材制造商轉(zhuǎn)向使用新型鋁合金 Aheadd CP1

由于減輕重量是賽車和航空航天等行業(yè)的首要任務，許多制造商最近都轉(zhuǎn)向使用輕質(zhì)鋁硅鎂合金，如 F357 和 AlSi10Mg，用于 3D 打印賽車、火箭等各種部件。2024年 6 月 7 日，南極熊獲悉，一種新型鋁合金 Aheadd CP1，在許多增材制造用戶中的采用率已經(jīng)超過了鋁硅鎂合金。



Aheadd CP1是一種鋁鋯鐵合金，由全球領先的鋁產(chǎn)品和解決方案提供商 Constellium 專為金屬激光粉末床熔合 (LPBF) 3D 打印機設計。根據(jù)具體應用，價格更昂貴的鈦合金確實比鋁合金具有更好的強度重量比，而銅合金可以提供更好的傳熱系數(shù)，鎂合金可能具有較低的密度和更高的電化學電位。但當尋求優(yōu)化增材制造部件的成本、性能和可制造性時，鋁合金可以非常有效地實現(xiàn)這三個目標。通過對多年來一直用于傳統(tǒng)鑄造的現(xiàn)有材料進行改進，鋁鎂合金已適用于增材制造，用鋁鎂合金制成的各種 3D 打印部件在多個行業(yè)中表現(xiàn)良好。

Aheadd CP1 合金的優(yōu)勢



CP1 是從頭開始創(chuàng)建的，經(jīng)過量身定制，且在設計時考慮到了增材制造工藝的特定嚴格性，因此避免了制造商在使用其他鋁合金時必須克服的一些挑戰(zhàn)。

雖然鋁是這些合金的共同點，但 CP1 含有鋯和鐵，而 F357、AlSi10Mg 和類似合金含有硅和鎂。由于固相線溫度高且不含鎂（更適合釬焊）和硅含量低（會導致焊接時出現(xiàn)孔隙），CP1 正逐漸成為需要與傳統(tǒng)材料釬焊或焊時的首選合金。

CP1 的另一個優(yōu)勢是：使用 F357 打印部件后，制造商必須使用三個單獨的步驟對部件進行熱處理，包括固溶處理、淬火和時效。雖然其他鋁硅鎂合金（包括 AlSi10Mg）更容易進行熱處理，但它們的其他材料特性（包括強度、耐腐蝕性和陽極氧化能力）并不符合許多應用的需求。另一方面，CP1 部件只需要一個四小時的低溫處理過程，這可以節(jié)省大量時間和成本，并避免在較高溫度下處理時可能發(fā)生的熱變形。除了固有的耐腐蝕性能外，CP1 還表現(xiàn)出高達 300°C 的穩(wěn)定微觀結(jié)構(gòu)，使成品部件能夠在熱交換器等有價值的高溫應用中更好地保​​持性能。

由于 CP1 是各向同性的，Constellium 已證明，用 CP1 制造的部件具有相同的機械特性，無論其幾何形狀在構(gòu)建板上如何定向。這簡化了設置時間，并使增材制造工程師能夠優(yōu)化其他所需屬性，例如表面粗糙度或性能。

CP1 成分的一個重要附帶好處是，其一步熱處理可沉淀鋯和鐵相，從而形成幾乎純的鋁基體，具有高電導率和熱導率。測試表明，其導電性能指標等于或超過了一些更昂貴的非鋁合金。（熱處理后 CP1 的熱導率為 187 W/mK；F357 標準值約為 150 W/mK，標準 AM 鈦合金 Ti6Al4V 約為 6.7 W/mK。）

CP1 的種種優(yōu)勢使得其應用領域越來越廣泛，如增材制造、半導體和一般工業(yè)領域以及賽車運動和航空航天領域。

CP1 在工業(yè)領域的實際使用體驗



PWR 是一家全球性冷卻系統(tǒng)技術供應商（散熱器和熱交換器），產(chǎn)品適用于高性能賽車運動。PWR 與一級方程式賽車、納斯卡賽車和其他賽車相關實體密切合作，最近還擴展到電子、軍事和航空航天行業(yè)。

PWR 增材制造工程師 Toby Maconachie 表示：“增材制造在熱交換器制造方面顯示出了巨大的潛力，PWR 是第一個采用 Velo3D AM 系統(tǒng)打印鋁材的公司。能夠?qū)�傳統(tǒng)技術和增材制造技術結(jié)合起來是在競爭激烈的市場中獲得優(yōu)勢的一種方式�！盤WR 發(fā)現(xiàn)，對于最先進的熱交換器的最精細內(nèi)部配置，傳統(tǒng)薄箔技術在可實現(xiàn)的最小特征尺寸方面仍然優(yōu)于 3D 打印技術。但對于其他應用，例如冷卻系統(tǒng)中的流體分配，增材制造在復雜幾何形狀和盤旋內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面更勝一籌。

CP1 的材料特性

PWR 的大部分成功案例都是通過添加材料組裝而成的，這促使 PWR 從 F357 轉(zhuǎn)向 CP1，對這些組合組件進行釬焊和快速熱處理。PWR 通常采用硬質(zhì)陽極氧化或化學蝕刻來加工產(chǎn)品，F(xiàn)357 在加工過程中有產(chǎn)生過多“污跡”的問題。Toby Maconachie 表示：“ PWR 從 Constellium 獲得 CP1 樣品后，首先測試的就是我們可以進行哪些表面處理，測試發(fā)現(xiàn)，CP1 基本上與傳統(tǒng)組件一樣好，因此更容易根據(jù)需要進行陽極氧化和蝕刻。”

CP1 的穩(wěn)定性允許厚層粉末沉積，對于需要厚層粉末沉積的應用，制造商發(fā)現(xiàn)從 50 微米層增加到 100 微米層可將總打印時間縮短多達 60%。還可以減少電能消耗并降低每次打印的氬氣消耗。Toby Maconachie 表示：”CP1 的這一特性真正改變了游戲規(guī)則。過去，增材制造機器的吞吐量和相應的生產(chǎn)成本一直是客戶采用增材制造解決方案的主要障礙，但隨著打印層厚度達到 100 微米，打印時間顯著縮短，增材制造技術有了更大的發(fā)揮空間。”

CP1 的發(fā)展前景



Toby Maconachie 表示：“將 PWR 現(xiàn)有的兩套增材制造系統(tǒng)都換成 CP1 合金系統(tǒng)是件很簡單的事。PWR 與 Velo3D 密切合作，確保材料符合生產(chǎn)要求。新合金 CP1 為 PWR 進一步的產(chǎn)品創(chuàng)新打開了大門。2026 年一級方程式賽車規(guī)則即將發(fā)生變化，重量限制將以不同的方式平衡熱性能，增材制造在重量和成本方面可能會具有競爭力。我們PWR 正在與團隊合作開發(fā)完全集成的增材制造熱交換器。”

前進的道路是明確的：國際汽聯(lián)，一級方程式賽車和其他全球賽車運動的管理機構(gòu)，最近批準從 2024 賽季開始在一級方程式賽車上使用 Aheadd CP1 合金。