金属制造:金属零件制造指南

Protolabs的加工服务使用两种类型的铝制造零件:6061-T651和7075-T651。t后缀表示材料是如何加工的，在这种情况下，热处理后机械拉伸1%至3%以消除残余应力，从而使其在加工时更加稳定。6061铝与镁和硅合金，并在其变形形式提供屈服强度40000 psi或更多。在适当的设备下，它具有很强的耐腐蚀性和可焊接性，是低疲劳应用的理想选择，如机械结构部件、液压阀体、船舶和汽车部件，以及大多数需要坚固、轻质材料的应用。

Protolabs铝制马厩里的另一匹马是7075铝制的。它比6061更硬、更强，其屈服强度几乎是不那么坚固的同类产品的两倍，但成本几乎是6061的三倍。它的主要合金元素是锌、镁和铜。美国军方在许多火器上使用7075，用7075锻造铝制成的连杆用于顶级燃料减速车，波音飞机的翼梁也是用7075制成的。这是很艰难的事情。事实上，6061唯一的优势是耐腐蚀，而且是在比7075制造的零件更需要“给予”的地方。这两种材料都很容易加工，尽管7075有点磨损。

另一种受欢迎的轻质材料是镁，它是地壳中含量第四多的元素。6061的重量是6061的三分之二，强度几乎相同，是所有结构金属中最轻的。相机和手机机身，电动工具的框架，笔记本电脑的机箱-镁是一种首选的材料，只要强度好，重量轻是很重要的。为了提高燃油效率，汽车制造商在变速箱、座椅框架和进气歧管中大量使用镁。

镁最常与铝和锌制成合金。它具有优良的阻尼特性，非常可加工，易于成型或压铸。

除了易腐蚀外，镁的另一个缺点是在高温下强度降低，尽管大众汽车(Volkswagen)在其风冷甲壳虫(Beetle)发动机的曲轴箱中成功地使用了镁，已有50多年的历史。在价格方面，它比铝贵，但这在很大程度上减轻了镁组件制造的相对容易。请注意，Protolabs不再生产镁部件。

在软金属系列中，还有黄铜和铜，它们是金属家族的亲兄弟。在这两者中，黄铜是迄今为止用途最广泛的．除了高氨和一些酸的环境，它是非常耐候性和耐腐蚀性。如果你曾经更换过汽车散热器，焊接过厨房水龙头，或者吹过法国号，那么你就接触过由黄铜制成的部件。

Protolabs提供零件加工从C260弹药黄铜，长期以来最受欢迎的弹壳。它含有70%的铜和30%的锌，被认为是所有黄铜合金中最通用的。实际上有几十种黄铜等级，都有细微的区别和不同的用途。将铜的比例降低几个百分点，就可以生产出适合铆钉和螺丝的黄铜。再削减一点，加入一点铁，你就创造了蒙茨金属，适合建筑装饰和内衬船底。增加铜的含量，加入一些锰和少量镍，你就有了萨卡加维亚一美元硬币的原料。布拉斯是终极开关击球手。

对于机械师来说，黄铜是很容易的:冷却剂是可选的，刀具寿命非常高，进给量相当高。然而，不要让它随和的本性欺骗了你——黄铜是坚固的材料，其抗拉强度可与低碳钢相媲美。具有讽刺意味的是，铜的情况则截然不同。尽管铜是黄铜的主要成分，但纯铜的可加工性大约要差五倍，即使是最耐心的机械师也会避免使用铜，因为铜的坚韧性和粘性。切屑几乎不可能断裂，由于其高导热性，材料在切割过程中加热得非常快。

铜的导电性仅次于银，这一因素使它成为当今最重要的金属之一。铜线(和铝线)基本上使电力成为可能。没有它，灯就不会亮，汽车就不能行驶，也就不可能调一杯冰冻的玛格丽特。

铜易钎焊，难焊接。它的极端延展性使它既坚固又灵活，这在金属中是罕见的。然而，铜的作用远不止传导加热烤架所需的能量。它被用于半导体制造，作为高温超导的元素，用于玻璃-金属密封，如真空管所需的密封，甚至已被美国环保署批准用于医院和公共场所作为抗菌表面。

由于自然界中存在铜元素，几千年前，人们第一次开始将其制成硬币和餐具。今天，它是570多种不同金属合金的一种成分，墨盒黄铜就是其中之一。碲铜，镍铜，青铜，炮金属，铝和钢合金——名单还在继续。铜还可以用于电火花加工(EDM)的电极，这是一种在注塑和金属冲压中经常看到的技术。beplay体育下载ios在现代世界，铜确实是王者。

硬金属:钢，不锈钢，铬镍铁合金，钛

世界也需要硬金属。从汽车到游轮，从电缆到新月形扳手，钢铁被广泛使用。不论合金类型如何，钢主要是由铁组成的。炼铁和有限的钢铁制造已经使用了数千年，但直到19世纪中期发明的贝塞麦炼钢工艺，才有可能大规模生产高质量的钢铁。工业革命由此开始。

与软金属一样，少量的合金元素可以对钢的性能产生巨大的影响——添加不到1%的碳和锰，再加上一点冶金技巧，就能使脆性铁变成坚韧的1018钢。而适合飞机使用的4140合金钢是由同样少量的铬和钼粉结合而成的。

这样的碳钢可以在某种程度上硬化，并且很容易焊接。只有一个问题:它们会生锈，电镀或喷漆是大多数涉及碳钢的应用的要求。

300 -系列不锈钢Protolabs提供的金属至少含有20%的铬和相当数量的镍，这使得它们更难加工。尽管如此，这些流行的材料通常用于医疗器械、真空和压力容器，以及食品和饮料设备。300系列不锈钢相当坚韧，但不能像碳钢那样硬化。如果你的应用要求硬度，可以考虑将PH值提高到17-4。

这种多功能但非常坚韧的材料含有镍、铬和铜。虽然被认为是不锈钢家族的一部分，它在退火状态下的可加工性接近高温合金状态。热处理后，它很容易达到45rc的硬度和150000psi或更高的抗拉强度，是碳钢的三倍。它最常用于医疗、航空航天和核工业，或任何需要高强度和良好耐腐蚀性的组合。

由于铁锈永不休眠，冶金学家发明了不锈钢。通过将铬的含量增加到至少10.5%，耐腐蚀性大大增强。不锈钢广泛应用于化学工业、纺织加工和海洋应用。许多不锈钢也具有耐温性，能够承受高达2700华氏度的温度，温度高到足以把铝、黄铜和铜变成熔化的水坑。例如，316不锈钢是热交换器的优秀材料，经常用于蒸汽轮机和排气歧管。

如果你正在寻找一些真正坚固的合金，没有比钴铬和铬镍铁合金更合适的了。Protolabs不加工这些材料，但其3D打印服务很乐意通过直接金属激光烧结(DMLS)工艺为您烧结它们。每种材料都有独特的高性能。

铬镍铁合金含有50%或更多的镍，使其在一定温度范围内具有优异的强度。它被用于极端要求，如燃气轮机叶片，喷气发动机压气机盘，甚至核反应堆和喷气发动机燃烧室。高镍含量使铬镍铁合金成为最难加工的材料之一，需要耐磨涂层碳化物和刚性机床。元素周期表上镍的旁边是钴，钴铬合金的主要成分。这种材料以极好的耐磨性和人体生物相容性而闻名，使其成为种植牙、髋关节和膝关节置换术以及动脉支架的理想材料。

最后，还有钛。这种轻质元素由铝和钒合金制成，提供了一种坚固、耐腐蚀的材料。像钴铬一样，钛具有生物相容性，广泛用于骨螺钉、销钉和钢板。它的抗拉强度大约是低碳钢的两倍，但重量只有它的一半。这使得钛对航空航天工业和高性能车辆制造商具有吸引力。

数控车床使用卡盘或夹头来夹住工件，并将其旋转到固定的刀具上。需要剪一套烛台支架或花园软管配件?车床可以短时间内加工这些零件，甚至更多。像Protolabs使用的铣削机，通过添加旋转工具和二次主轴，使车床更进一步，消除了曾经的二次加工操作。

铸造与成型:增加金属制造的体积

对于大批量生产，机加工零件通常过渡到铸造或成型工艺。金属注射成型beplay体育下载ios，或MIM，是将镍钢、316不锈钢、17- 4ph或铬等金属粉末与蜡和热塑性塑料组成的粘结剂混合的过程。

经过仔细测量的合成原料量被预热到几百度，然后在压力下“射入”模腔，以类似于注射成型的方式。beplay体育下载ios

几秒钟后，绿色部分被弹出，并送到一个去胶炉，在那里，大部分塑料粘合剂通过硝酸去除。在这一点上，棕色的部分有点脆弱，必须轻轻运输并放入烧结炉，然后在那里加热到略低于基材的熔化温度。

MIM生产完全致密，近净形状的零件。缩水率是可预测的20%，给或取几个点，并且给出正确的部分，公差为+/- 0.010英寸。是有可能的。最后一点很重要，因为工件形状必须适合MIM，否则它将无法在剥离和烧结过程中幸存。例如，一个小齿轮将是一个优秀的MIM候选人，但一个圆顶形状的部件最终会比道路上的杀戮更平坦，没有关键的支撑。正确的零件和模具设计对MIM的成功同样至关重要。

在类似的过程中，触化成型被用于生产镁部件。与MIM不同，它不依赖于粘合剂或多步加工。相反，镁在惰性气体(通常是氩气)中被加热至半固态，然后强行进入模腔。注射过程的压力使材料变得不那么粘稠，因此触模成型的部件可以比压铸部件具有更薄的壁和更细的细节。复杂的形状是可能的，没有收缩或翘曲的问题，MIM。

事实上，触化成型只有一个限制:零件必须由镁制成。但对于许多汽车和消费应用来说，无论如何这都是首选材料，这使得触塑成为轻质、精确和具有成本效益的组件的绝佳选择。

复杂几何金属3D打印

对于不可能通过前面讨论的任何方法制造的部件，有金属直接激光烧结增材制造工艺．DMLS大胆地走到了其他制造工艺无法做到的地方。与塑料选择性激光烧结(SLS)一样，DMLS在铝、钴铬、铬镍铁合金、不锈钢和钛等金属中也取得了类似的结果。SLS使用激光将尼龙基粉末熔合成几乎任何可以想象到的形状。

像大多数添加剂工艺一样，DMLS从下往上构建零件，就像蛋糕的层。它从一个3D CAD模型开始，它被切割成大约0.001英寸的层。厚。然后用激光在一层金属粉末上“绘制”CAD模型的每一个组织薄片，金属粉末与面粉的稠度相同。当激光经过时，金属粒子被熔化并融合到相邻的金属上，形成了与从钢厂生产出来的金属具有相同机械性能的金属。当每一层完成时，橡胶刀片将额外的材料拉过正在加工的部分，激光继续工作，依次将每一层与前一层融合。几个小时后，成品就出来了。

公差±0.003英寸。通常可以使用DMLS，以及比这句话结尾的句点小的部分特征。由于涉及到非常高的温度，在制造过程中经常需要小支柱来支撑工件，为了防止翘曲，需要进行后处理来移除这些支撑。此外，由于表面粗糙度与铸件相当，约200-400 μ in Ra，可能需要进行某种二次抛光或加工操作。

钣金材料

Protolabs提供最受欢迎的钣金，从碳钢，如:冷轧钢(CRS)，镀锌，镀锌，到不锈钢，铝，铜和黄铜。每一种都有自己独特的品质，你选择一种的原因可能从美观到耐腐蚀。

CRS钣金
与热轧钢的工艺相似，冷轧钢还要经过另外一道工序。在经过滚轮的额外压缩后，在室温下进行第二次轧制。使用这种方法大大增加了硬度，但降低了延展性。CRS适用于需要在室温下成型的零件，它也具有高度的可焊性和可涂性。CRS通常涂有油，以提高耐腐蚀性。

镀锌和镀锌钣金
看过室内风管的人对镀锌钢的闪闪发光的图案都很熟悉。高耐腐蚀的镀锌钢和镀锌钢具有相同的初始过程，即将金属浸入850华氏度的液态锌溶液中。但区别就在这里。镀锌钢在其母材的基础上增加了第二个加工步骤，将镀锌钢通过1050华氏度的退火炉，将铁吸到表面，与保护锌涂层结合。这使产品表面光滑，更耐腐蚀。两种材料都具有高度的可成型性，但galvanneal的表面更易于涂色。如果你正在寻找更工业的外观，镀锌可能是你的选择。如果外观和可涂性是重要的，电流光是一个匹配。

不锈钢钣金
不锈钢无处不在——在电器、水槽和用来酿造啤酒的巨大桶里!表面处理可以从拉丝到光滑不等，但无论你选择哪一种，你都会得到一个高度抗腐蚀和染色的表面，即使暴露在酸性化合物中也是如此。这使得它在实验室中也很受欢迎。不锈钢的神奇之处在于铬和镍的结合创造了这种耐用的金属合金。我们提供304和316不锈钢。如果腐蚀是一个问题，你可能想选择316不锈钢，尽管它有点贵。在316中添加钼使其更适合具有挑战性的情况，特别是户外和海上使用。

铝板
铝有很多优势。它重量轻，坚固，耐腐蚀，无磁性，高度可成型。它还能很好地散热，非常有吸引力，在我们的5052和6061品种中都有半光滑的表面。您应该使用哪一个取决于您的应用程序。5052是钣金应用的最佳选择，因为6061在成形过程中有时会出现裂缝。在6061弯曲是相当不坚固，你将不得不补偿更大的弯曲半径，以确保结构的完整性，这可能是不可取的在您的设计。也就是说，6061是扁平部件的明智选择。

铜板
Protolabs携带两种形式的铜片，C101和C110。两者都以其导电性、光泽和美丽的蓝绿色铜绿而闻名，由于暴露在元素中，特别是在盐水和工业环境中，随着时间的推移，蓝绿色铜绿会在表面慢慢形成。不过，铜的耐腐蚀性很高。C101，又称无氧铜，常用于工程应用，具有高度的可成形性。C110经常用于管道配件，由于其高导电性(仅次于银)，用于电子用途。C110不建议用于乙炔、氨、硝酸和汞或汞盐附近。

黄铜钣金
在铜中加入锌，就得到黄铜合金。CDA260，我们在Protolabs使用的黄铜板材，大约有70%的铜和30%的锌。黄铜是高度耐腐蚀的，像它的母体铜一样，它看起来很棒，高度可成型。它广泛用于船舶应用和电子元件。

金属后处理方法

二次操作在许多制造过程中很常见，特别是金属零件。热处理可以提高强度，消除原材料加工和重型机械加工过程中产生的内应力。像1018这样的碳钢可以通过氮化或渗碳进行表面硬化，而4140通过淬火和回火方法很容易达到50 Rc或更硬。如前所述，17-4 PH值可以做得相当坚硬，一些400系不锈钢也可以，但300系不锈钢只能通过冷加工或通过模具拉伸来硬化。软金属如铝和镁永远不会硬化，尽管它们可以通过低温加热来减轻压力或“老化”。

表面处理是另一种常见的后加工工艺。铝通常经过阳极氧化，在阳光下任何颜色的表面都具有抗划伤性。对于非装饰性的保护，化学膜或铬酸盐是一个很好的选择。这些方法也适用于镁，尽管需要不同的化学物质。铜和黄铜暴露在氧气中会变色，因此如果需要保护，可以进行化学镀镍或镀铬。不锈钢和高温合金不需要这样的保护，但钢通常给予黑色氧化物表面处理，或镀镍、镉、锌和其他材料。油漆也是一个受欢迎的选择，但建议喷珠或一些其他形式的磨料准备，以便在油漆应用之前提供一个清洁，无锈的表面。

Protolabs的加工服务提供喷珠和滚压，以去除毛刺，并为加工表面提供统一的外观，其3D打印服务用于DMLS部件。喷珠，顾名思义，是用高压颗粒流，如沙子或玻璃珠，来打磨锋利的边缘，去除毛刺。翻滚使用小陶瓷或塑料介质在一个玻璃杯碗达到同样的效果。在Protolabs，通常可以在标准交货时间内完成零件喷珠和滚压，然而，在其他地方，这些过程可能会增加几个小时到一周或更长时间的产品交付时间。在大多数情况下，如果客户愿意，他们可以在Protolabs外立即对零件进行电镀、涂漆或阳极处理。

在Protolabs平衡材料和工艺

Protolabs提供各种硬金属和软金属，以满足您的零件制造需求。钢和不锈钢，钴铬和铬镍合金，有色金属材料，如铝和铜，无论你制造什么，这些材料都满足了大部分的物理和化学要求。将这些金属与几种不同的传统加工工艺相结合，以满足原型到小批量生产的需求，几乎你能想到的任何事情都是可能的。而在不可能的情况下，金属激光烧结可以将大多数CAD模型变成物理现实。

那是一些相当高的声明，现在是细则。Protolabs的3D打印、钣金加工和机加工工艺制造的零件有最小和最大的尺寸限制。由于部件信封在Protolabs不断扩展，请查看protolabs.com上列出的每个工艺的设计指南。

对于加工零件，壁薄于0.020英寸。也不可取，加工深度应不大于2英寸。从任何给定的方向。零件公差为+/-0.005 in。是典型的。目前，铬钴和铬镍铁合金还不是Protolabs的加工候选材料。

直接金属激光烧结可以从前面提到的许多材料中生产零件，并在混合物中添加钴铬和铬镍铁合金。Protolabs的DMLS功能包括两个级别的精度:普通分辨率和高分辨率。每个都可以实现非常薄的层厚度和最小的特征尺寸，定期提高功能，可以再次在protolabs.com上找到。使用DMLS制造的部件通常需要额外的工艺来提高表面光洁度，并通过磨削或机械加工来去除制造过程中创建的部件支撑。

当然，有些零件在离开Protolabs后可能需要额外的加工。快速周转和有竞争力的价格意味着Protolabs不是一个万能的解决方案。方形内角可能需要电火花加工，近公差孔可能需要镗孔，外径和表面可以研磨或研磨。尽管有这些限制，Protolabs生产一次性和小批量金属零件的速度比任何人都快，在一系列材料中，适合我们大多数客户的要求。

Protolabs还可以加工数十种塑料材料，以及数百种可塑热塑性塑料和液体硅橡胶材料。无论您的项目是什么，我们都会提供材料、一系列制造服务——3d打印、CNC加工、钣金加工和注塑——以及旨在满足您零件制造需求的定价。beplay体育下载ios