当减轻重量是主要目标时，3D打印铝合金是航空航天和高性能赛车应用的常见选择。
确实存在比铝具有更高比强度（更好的强度与密度比）的轻质金属合金，例如钛合金。在热管理部件的应用中，也有比铝合金具有更好传热系数的材料，例如铜合金。谈及具有最低密度或更高电势的材料，镁合金也是不错的选择。但如果需要在成本、性能和可制造性之间进行权衡时，铝合金仍是最佳的材料之一。
在众多铝合金材料中，传统铸造常见的 Al-Si-Mg 合金是粉末床激光熔化（L-PBF）3D打印中使用和研究最多的合金，因为它们具有良好的激光加工性能。特别是，AlSi7Mg 合金引起了增材制造领域的极大兴趣，因为这一材料的近共晶成分可确保狭窄的凝固范围和高 Si 含量，可确保在熔融状态下具有良好的流动性。这些是 L-PBF 工艺中非常重要的方面，使增材制造完全致密和无裂纹的零件成为可能。[1]
AlSi7Mg铝合金具有良好的延展性、高强度和耐腐蚀性。与 AlSi10Mg 和 Al12Si 这两种铝合金材料相比，粉末床激光熔化增材制造的AlSi7Mg零件具有更高的强度和更好的延展性，相比之下可以更好的满足航空航天等领域高可靠性要求。通过热处理可进一步提高AlSi7Mg 增材制造零件的微观结构，如再结晶晶粒、缺陷去除和均匀的微观结构。[2]
本期，3D科学谷将通过国际上已开展AlSi7Mg (F357) 应用探索的企业，对这款材料的选区激光熔化增材制造工艺及应用进行透视。
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用于增材制造的AlSi7Mg
大部分适合3D打印的铝合金材料最初是从A356铸造铝合金开发出来的，这是使用最广泛的铸造铝合金之一。它重量轻且极耐腐蚀。为了进一步提高机械性能，可以添加更多的镁，这会产生A357，这是一种强度更高的合金，可以对其进行热处理以获得更好的性能，但铸造起来却有些困难。
不过用于粉末床激光熔化增材制造工艺却是颇为理想的选择。但是A357还含有0.04至0.07％的铍，这是一种I 类致癌物，特别是如果将其吸入体内，将对人体产生伤害，而这一情况可能在打印粉末处理和后处理过程中发生，所以这种材料并不完全适合金属3D打印。
AlSi7Mg (F357) 铝合金材料则是A357铝合金的一种不含铍的衍生物，其开发目的是避免环境和健康风险，与A357合金相比强度略有降低。[3]
F357重量轻，可焊接性强，可进行阳极氧化处理，可热处理至T6。铝的阳极氧化是一种电解氧化过程，在此过程中，铝合金的表面通常转化为一层氧化膜，这层氧化膜具有保护性、装饰性以及一些其他的功能特性。因此，这样的AlSi7Mg 材料就具有更高的耐腐蚀性，并且可在较宽的温度范围内使用。
根据3D科学谷的市场观察对于那些在许多航空航天和高端赛车运动应用中看到的具有薄壁，复杂结构的增材制造零件，它是一种不错的选择。例如：A357铝合金是航天发动机主发动机部件中应用的一种材料，该材料可用于制造火箭或导弹发动机的涡轮泵泵壳，相对应的可以考虑利用F357 铝合金3D打印技术开发创新的涡轮泵壳体[4]。
AlSi7Mg与AlSi10Mg 铝合金材料对比
增材制造工艺及应用的探索
l Velo3D
Velo3D开发了F357 铝合金的3D打印工艺及应用。VELO3D 基于Sapphire 3D 打印系统的F357 铝合金增材制造工艺是与 PWR 公司共同开发的，PWR 是为一级方程式赛车、NASCAR、其他赛车系列以及汽车、军事和航空航天行业提供先进冷却解决方案的全球供应商。
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上图中的热交换器为3D 打印F357 材料制造的，请注意其核心中的超薄特征（左侧的横截面图）。
Velo3D F357 铝合金3D打印工艺的另一个典型应用是汽轮发电机组件。
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上图中的案例为KW Micro Power 设计和制造的用于高功率密度发电的紧凑型汽轮发电机组件。他们针对F357材料增材制造工艺，重新设计了航空级辅助动力装置 (APU) ，重量减轻了44%。
上表为Velo3D F357铝合金的3D打印机械性能。3D打印系统为 VELO3D Sapphire®， 所有数据均基于使用 VELO3D 标准 50 µm 层厚构建的零件参数。
l GE增材制造与AP&C
根据GE 旗下的材料制造商AP&C， AlSi7Mg (F357)3D打印铝合金材料在温度升高的环境中具有更好的机械性能，非常适合制造热交换/热管理部件。
© GE增材制造
GE展示过一款通过F357 铝合金3D打印的汽车壳体样件。该样件集成了隔热罩、液压连接器和通道，设计具有轻量化特点。根据GE，F357 铝合金3D打印在汽车制造中的潜在应用是变速箱壳体。
2种F357铝合金3D打印工艺参数对比，设备：M2 Series 5 。
© GE增材制造
GE通过其M2 3D打印机开发了三种不同的F357铝合金3D打印工艺参数：
- 聚焦于零件的表面质量：30µm
- 在打印效率与质量之间做出了平衡: 60µm
- 聚焦于更高生产效率：90µm（1Kw激光）
l EOS
EOS针对其M290 与M400 选区激光熔化设备开发了F357铝合金的工艺参数。
© eos
M290设备，层厚30µm, 打印态机械性能：
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M290设备，层厚30µm，热处理态机械性能:
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M400 设备，层厚60µm，打印态机械性能：
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M400 设备，层厚60µm，热处理态机械性能：
© eos
l SLM Solutions
霍尼韦尔（中国）和SLM Solutions 合作开发了F357 铝合金工艺参数。
SLM Solutions
霍尼韦尔在四激光SLM®500选区激光熔化3D打印设备上以60 µm的层厚度和700 W激光为铝合金F357开发新的打印工艺。与传统的压铸零件相比，材料的性能已大大提高，现在已经超过了公认的航空航天金属性能。
批量生产的铝合金3D打印质量控制与两方面息息相关，一个是参数的优化，另一个是零件精加工。而从整个金属增材制造周期中所涉及到的众多参数的角度来看，优化AlSi7Mg (F357) 铝合金增材制造工艺是一个艰巨的过程。3D科学谷将对这款材料的增材制造应用发展保持市场观察。
知之既深，行之则远，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察，有关陶瓷在增材制造领域的更多分享，请关注《铝金属3D打印白皮书》。
【文章参考资料】
[1]Short Heat Treatments for the F357 Aluminum Alloy Processed by Laser Powder Bed Fusion
[2]Microstructure and properties of AlSi7Mg alloy fabricated by selective laser melting
[3]AM铝合金的结构完整性：构建方向对微观结构、孔隙率和疲劳行为的影响（Ⅰ）
[4]AlSi7Mg 3D打印粉末到底是怎样的一种材料?
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