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鋁是現代產品開發的主力非鐵金屬。密度 2.7 g/cc，約為鋼的三分之一，切削速度卻快上 3 至 5 倍，能接受多種表面處理，並完全可回收。全球歷年冶煉的鋁約有 75% 仍在流通，使原料價格相對穩定，對重視永續的 BOM 是有力選項。
鍛造鋁以四位數字命名，首位代表主要合金元素：1xxx 工業純鋁、2xxx 銅、3xxx 錳、4xxx 矽、5xxx 鎂、6xxx 鎂矽、7xxx 鋅、8xxx 鋰或鐵。第二段編碼為回火狀態，代表冷加工或熱處理後的機械性能。規格必須同時寫明合金與回火，5052-H32 的海洋支架與 7075-T651 的航太接頭只是恰好同為鋁。
大多數 CNC 外殼與結構支架預設採 6061-T6，屈服強度 276 MPa。若零件需承受更高疲勞負載或更嚴公差，7075-T6 可將屈服拉到 503 MPa，價格是 6061 的 2 至 3 倍。沖壓機殼常用 5052-H32 板材，可折彎至 1 倍板厚而不裂；擠型散熱片採 6063-T5，流動性適合複雜剖面。DMLS 列印採用 AlSi10Mg 粉末，性能落在鍛造與鑄造之間。
為何鋁值得進入你的 BOM
當重量是重點時，鋁勝過鋼；當需要剛性、散熱或質感時，鋁勝過塑膠。同樣的撓曲容許值下，6061 CNC 外殼通常比軟鋼版輕 65%，因為剛性隨壁厚三次方變化，而鋁在相同質量下可用更厚壁。這份質量優勢會直接反映在運費、手持握感、車輛與無人機的結構負載路徑上。
熱導率 150 至 210 W/m·K 讓鋁成為散熱片、電池冷板與 LED 底座的預設材料。導電率約 60% IACS，適合匯流排與 RF 接地平面。自然生成的 Al2O3 氧化層提供基本耐蝕能力，陽極處理可倍增保護並上色。能在每公斤毛胚 3 美元以下同時兼顧輕量、剛性、散熱、耐蝕四項特性的金屬並不多。
與替代材料的單件成本
一個 150 mm 帶內部口袋與攻牙的 CNC 外殼，若採 6061-T6 毛胚單件落在 USD 80 至 280。改用 7075-T6 材料費約翻倍，切削進給需放慢保護刀具，週期時間增加 10 至 20%。換成 304 不鏽鋼則切削時間約為三倍。ABS 射出單件便宜兩個數量級，但要先投入 USD 6,000 至 20,000 的模具費才能開機。
| 選項 | 單件 USD | 交期 | 最適合 |
|---|---|---|---|
| 6061-T6 CNC | 80–280 | 3–5 天 | 預設功能原型與支架 |
| 7075-T6 CNC | 160–520 | 4–7 天 | 抗疲勞或高負載治具 |
| 5052-H32 鈑金折彎 | 20–90 | 4–8 天 | 機箱與面板 |
| 6063-T5 擠型切割 | 12–45 | 1–2 週 | 散熱片與滑軌 |
| AlSi10Mg DMLS | 220–700 | 5–10 天 | 複雜內部流道 |
| A36 鋼 CNC（參考） | 140–420 | 4–6 天 | 重量不重要但需剛性時 |
合金與回火對照
回火代碼揭示合金的加工歷程：O 為退火軟料，H 為應變硬化鈑材，T4 為固溶加自然時效，T6 加人工時效達到峰值強度，T651 再加控制拉伸以釋放殘餘應力，當你要非對稱銑削厚板卻希望零件維持平整時不可或缺。
| 合金／回火 | 屈服 MPa | 特性 | 適用 | 注意 |
|---|---|---|---|---|
| 5052-H32 | 193 | 成型性佳的鎂合金，耐海水 | 鈑金機箱、海洋支架 | 陽極呈灰色非亮色 |
| 6061-T6 | 276 | 通用可焊 | CNC 外殼、治具 | 熱影響區強度下降 |
| 6063-T5 | 145 | 擠型表面平滑 | 建築飾條、散熱片 | 屈服低於 6061 |
| 7075-T6 | 503 | 鋅基極高強度 | 航太接頭、模板 | 焊接差、易應力腐蝕 |
| 2024-T351 | 324 | 含銅航太級 | 抗疲勞蒙皮與肋 | 需包覆純鋁防蝕 |
| AlSi10Mg（DMLS） | 230–280 | 近共晶鑄態成分 | 列印支架、共形冷卻 | 列印公差 ±0.2 mm／100 mm |
製程相容性
鋁幾乎能搭配所有的減法與成型製程。配對要點在於幾何複雜度、數量，以及後續要做什麼表面處理。
| 製程 | 常用合金 | 量產甜蜜點 | 說明 |
|---|---|---|---|
| 三軸 CNC | 6061-T6、7075-T6 | 1–500 | 6061 切削性為 2024 基準的 190% |
| 五軸 CNC | 6061、7075、AlSi10Mg | 1–200 | 適合含倒扣外殼與葉輪 |
| 雷射下料加折彎 | 5052-H32、5083 | 10–5000 | 5052 最小折彎半徑 1 倍板厚 |
| 擠型加後處理 | 6063-T5、6061-T6 | 100–50000 | 自製模約 300–500 公尺可回本 |
| 高壓鑄造 | A380、ADC12 | 5000+ | 模具 USD 3 萬至 12 萬，薄壁可到 1.5 mm |
| DMLS 列印 | AlSi10Mg | 1–100 | 關鍵面列印後再 CNC 精修 |
依用途選擇
當零件的任務已定，合金與製程會迅速收斂。以下對照作為起點，再依組件中的電偶、熱、表面處理需求微調。
| 用途 | 合金 | 製程 | 表面 |
|---|---|---|---|
| 手持電子外殼 | 6063-T5 或 6061-T6 | CNC | Type II 黑陽極 |
| 戶外看板支架 | 5052-H32 | 鈑金折彎 | 鉻酸鹽底加粉體烤漆 |
| 無人機馬達座 | 7075-T6 | 三軸 CNC | Type III 硬陽 |
| 電動車電池冷板 | 3003 或 6061 | 擠型釺焊 | Alodine 導電膜 |
| 光學基板 | MIC-6 鑄板 | CNC 銑面加攻牙 | 加工原態 |
| 內部共形冷卻塊 | AlSi10Mg | DMLS 加 CNC 精修 | 噴砂 |
| 海事甲板五金 | 5083-H116 | 鈑金加焊接 | 透明 Type II 陽極 |
鋁件 DfM 要點
CNC 件壁厚至少 0.8 mm，避免長寬比大於 10:1 的深薄肋，否則切削力會讓鋁撓動，震刀同時拉花表面並把口袋切大。高凸柱底部請留 3 mm 以上 R 角，把應力集中壓在 6061 疲勞極限以下。
鈑金上 5052 最小折彎半徑為 1 倍板厚，6061 為 2 至 3 倍，7075 不建議折彎會裂。內角加止裂孔可避免撕裂；孔距折彎線至少 0.5 mm，可把平整度控制在 0.2 mm 以內。
要做陽極外觀件時，所有可見面維持同一合金。6061、7075、5052 即使同一染料也難以比色，因為晶粒結構不同。去毛邊角請明確標註 R0.3 或 0.5 x 45 度；銳利外邊無法承載陽極膜會泛白。
表面處理與後製
加工原態會留刀痕，用於內部結構件可接受。以 120 至 220 號玻璃珠噴砂可在每面一分鐘內獲得均勻霧面，是陽極前的標準準備。
Type II 陽極長出 5 至 25 微米氧化膜，可染黑、紅、藍、金或客製色，是消費電子常見表面。Type III 硬陽 25 至 75 微米，表面硬度達洛氏 C50，用於耐磨面、液壓孔與光學框架。Alodine 1200 等鉻酸鹽轉化膜保留導電性又可上漆，航太組件靠它維持 EMI 連續性與黏接基底。外觀色穩定超過五年時，鉻酸鹽底加粉體烤漆的耐 UV 表現勝過染色陽極。
應用：6061 一體成型筆電外殼
某台北消費品牌把 14 吋筆電底殼從兩片 ABS 射出改為 6061-T6 整塊 CNC。新件重 280 克，比塑膠版的 410 克輕 130 克，並通過 1.2 米跌落測試（ABS 版 0.8 米即破）。五軸 HSK63 機床週期 22 分鐘含半精修，週產 2,500 台時單件 USD 38。
原本 ABS 模具花 USD 42,000 與 8 週工期，改 CNC 後僅 3 週 NC 編程與 USD 4,500 夾具費用，品牌因此一年可換兩次配色而不重開模。表面為外部 Type II 黑陽極、內部透明陽極搭配雷射標記服務標籤。
應用：7075 無人機馬達座
某測繪無人機廠需要能撐 120,000 次飛行、尖峰推力 180 N 的馬達座。原 6061-T6 件在 48,000 次於圓角處開裂。改為 7075-T6 並將內角由 R1.5 放大到 R3 後，實驗室疲勞壽命突破 200,000 次。
單件成本由 USD 92 升至 USD 164，年產 1,200 件多支 USD 86,400。原本馬達座的保固換件與飛行時數成本一年約 USD 240,000，7075 版本在第一季就回本。表面為 50 微米 Type III 硬陽，同時隔絕馬達座與碳纖維機臂之間的電偶腐蝕。
應用：AlSi10Mg 共形冷卻塊
某半導體測試機廠把 CNC 銑製冷卻座改為 DMLS 列印的 AlSi10Mg 共形冷卻塊，流道沿著待測元件實際發熱區走。壓降由 1.8 bar 降至 0.9 bar（3 L/min），200 W 負載下接面溫度下降 14°C。
單件成本由 CNC 的 USD 340 升至列印的 USD 620，但機台每小時多測兩顆晶片，換算晶圓廠時數每小時多 USD 18 產值。以每日 16 小時計算，冷卻塊不到兩週便回本。關鍵 O 環槽於五軸夾治具上後加工至 ±0.03 mm。
指定鋁件的該做與不該做
| 該做 | 不該做 |
|---|---|
| 合金與回火同時標註（6061-T6 而非只寫 6061） | 回火留白讓供應商自行猜測 |
| 與鋼、CFRP 之間以 Alodine 或墊片隔絕 | 在潮濕環境中將裸鋁直接栓在碳纖上 |
| 超過 30 次拆裝的螺牙加 Heli-Coil 嵌件 | 直接攻鋁牙又期待能反覆拆裝 |
| 治具面板指定 MIC-6 鑄板 | 以軋延 6061 板當需要高平整度的治具基板 |
| 外觀面維持同一合金家族 | 6061 與 7075 面板混用同一染色陽極 |
| 需非對稱加工時下 T651 應力消除料 | 在標準 T6 板上銑深口袋卻期待維持平整 |
常見失誤
| 失誤 | 失敗原因 | 避免方法 |
|---|---|---|
| 對 7075 結構件進行焊接 | 熔接區熱裂，拉伸低於 10 kN | 若必須焊接改用 6061 或 5083 |
| 服務螺絲直接攻在鋁上 | 約 30 次拆裝即咬牙滑牙 | 加 Heli-Coil 或 Keensert，嚙合 2.5 倍 D |
| 戶外裝備用染黑陽極 | 2 至 5 年內 UV 退色成古銅 | 改 Type III 硬陽或鉻酸鹽底粉體烤漆 |
| 裸鋁與 CFRP 在潮濕環境直接接觸 | 12 個月內產生電偶坑蝕 | 鋁做 Alodine 並加玻纖墊片 |
| 為輕量做 0.5 mm 薄 CNC 肋 | 震紋與陽極後翹曲 | CNC 肋高於 0.8 mm，以 R1 倒角紓解 |
| 以 T6 板做非對稱銑削 | 殘餘應力讓零件翹 0.3 至 0.8 mm | 改下 T651 應力消除板 |
下單前檢查表
- 圖紙標題欄明確標註合金與回火（如 6061-T651、7075-T6）。
- 表面處理標註陽極型別、等級、色樣比對件與哪些面屬外觀面。
- 每個外部邊皆標註去毛邊規格（R0.3 或 0.5 x 45 度）。
- 需要 Heli-Coil 或 Keensert 的螺孔列出嵌件料號。
- 註記相鄰材料（鋼、CFRP、銅）及所需隔絕方式（Alodine、墊片、塗層）。
- 關鍵公差配上基準面；其餘套用 ISO 2768-m。
- 若客戶要求可追溯，列明所需原料證明（mill cert、RoHS、DFARS）。
- DMLS 件標註需後加工的位置並預留 0.5 mm 加工裕度。
設計總結
把鋁當成平台而非單一材料看待。5052 板、6061 毛胚、7075 厚板、6063 擠型與 AlSi10Mg 粉末之間的差異，比許多其他合金家族都大，各自有最能發揮的製程。從機械與外觀需求出發，挑能以最少加工意外達標的合金與回火，讓夾治具與表面處理計畫跟著走。
做對了，一件鋁組件能同時提供金屬剛性、散熱片的熱管理與高階消費品的手感，成本卻比不鏽鋼更接近工程塑膠。做不好——回火錯、陽極錯、電偶鄰材錯——保固退貨會比塑膠件還多。