鋁激光增材制造：基于可持續(xù)性視角的挑戰(zhàn)與機(jī)遇綜述

導(dǎo)讀：長三角G60激光聯(lián)盟

意大利都靈理工大學(xué)的科研人員綜述報道了鋁激光增材制造：基于可持續(xù)性視角的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。相關(guān)論文以“Aluminum Laser Additive Manufacturing: A Review on Challenges and Opportunities Through the Lens of Sustainability”為題發(fā)表在《Applied Sciences》上。

制造業(yè)是全球能源消耗與溫室氣體排放的主要來源之一，因此可持續(xù)性已成為該領(lǐng)域的核心議題。鋁因其輕量化與可回收特性，在交通和航空航天等領(lǐng)域的節(jié)能解決方案中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。通過金屬激光粉末床熔融技術(shù)（PBF-LB/M）加工鋁合金，這一尖端增材制造技術(shù)能夠優(yōu)化材料利用率并實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的輕量化設(shè)計，從而提升可持續(xù)性。

本研究基于已發(fā)表的文獻(xiàn)，從生命周期評估、循環(huán)經(jīng)濟(jì)原則和生態(tài)設(shè)計策略的角度，分析了鋁PBF-LB/M制造的生態(tài)影響，并提出了減少環(huán)境足跡的潛在機(jī)遇。同時，文章闡明了該技術(shù)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，例如鋁PBF-LB/M工藝的高能耗問題及規(guī)模化限制。此外，研究探討了從粉末制備技術(shù)、工藝優(yōu)化到后處理策略等一系列可持續(xù)解決方案。

通過跨學(xué)科研究方法，本文強(qiáng)調(diào)了PBF成型鋁合金在實(shí)現(xiàn)可持續(xù)制造目標(biāo)中的重要作用，并為工業(yè)應(yīng)用提供了推動技術(shù)創(chuàng)新與韌性的可行建議，最終提出了一條平衡環(huán)保責(zé)任與高性能需求的實(shí)踐路徑。

圖1本綜述的結(jié)構(gòu)框架

圖2鋁工業(yè)的二氧化碳排放

圖3PBF-LB/M 制造零部件的生命周期

圖4PBF-LB/M 制造葉輪的生命周期清單及影響評估

圖5PBF-LB/M 制備Al-Mg-Sc-Zr合金時新粉與回收粉的表面形貌及力學(xué)行為對比

圖6PBF-LB/M 制備的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)示例：(a) APWorks 公司研制的首款3D打印電動摩托車 Light Rider；(b) RUAG Sentinel衛(wèi)星的優(yōu)化天線支架

圖7點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的應(yīng)用實(shí)例：(a)換熱器；(b)骨科髖關(guān)節(jié)植入物；(c)被動沖擊與振動隔離的實(shí)際應(yīng)用場景

圖8VEGA 運(yùn)載火箭連接支架的拓?fù)鋬?yōu)化與點(diǎn)陣化設(shè)計案例研究

圖9影響PBF-LB/M工藝生產(chǎn)時間的因素分析（魚骨圖）

圖10(a)多激光笛卡爾與極坐標(biāo)系統(tǒng)配置；(b)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)組件；(c)旋轉(zhuǎn)式PBF-LB/M系統(tǒng)；(d)成型示例

圖11增材制造缺陷類型及其監(jiān)測技術(shù)概覽（分為離位與在位檢測方法）

圖12PBF成型鋁合金不同熱處理方法的能效與性能提升對比

本綜述探討了PBF-LB/M如何通過提升材料效率、減少浪費(fèi)及優(yōu)化能源使用來應(yīng)對鋁合金生產(chǎn)中的環(huán)境挑戰(zhàn)。鋁的輕量化與可回收特性，結(jié)合PBF-LB/M的設(shè)計靈活性和高效性，使其成為可持續(xù)創(chuàng)新的關(guān)鍵驅(qū)動力。本文從原料生產(chǎn)到后處理的完整工藝鏈出發(fā)，提出了提升PBF-LB/M可持續(xù)性的策略：

金屬粉末生產(chǎn)：PBF-LB/M用金屬粉末的制備能耗高，其環(huán)境影響因制備方法和原料來源而異。傳統(tǒng)技術(shù)（如氣體/水霧化或等離子體工藝）需平衡能耗、顆粒形貌與成本。新興方法（如冷機(jī)械衍生粉末和UniMelt®等離子體技術(shù)）通過高收率、低能耗生產(chǎn)和高效回收原料，提供了更可持續(xù)的替代方案。在粉末生產(chǎn)中引入回收材料可進(jìn)一步減少二氧化碳排放并保護(hù)自然資源。此外，通過混合、篩分和性能監(jiān)測等嚴(yán)格質(zhì)量控制措施，實(shí)現(xiàn)PBF-LB/M粉末在多輪構(gòu)建中的重復(fù)使用，可提升可持續(xù)性與經(jīng)濟(jì)性。

輕量化設(shè)計與工藝優(yōu)化：PBF-LB/M通過結(jié)合輕量化材料與先進(jìn)設(shè)計革新了可持續(xù)制造。定制合金成分的創(chuàng)新及傳統(tǒng)合金的改性解決了熱裂紋等問題，使零件具備更高強(qiáng)度、延展性和熱穩(wěn)定性。拓?fù)鋬?yōu)化和點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)等設(shè)計技術(shù)提升了材料效率、減輕重量并優(yōu)化性能，這對航空航天和汽車應(yīng)用至關(guān)重要。通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計（DoE）和單掃描道分析等工藝優(yōu)化方法，可減少缺陷、能耗和材料浪費(fèi)，同時確保致密耐用的零件。多激光系統(tǒng)、極坐標(biāo)設(shè)計和實(shí)時熔池監(jiān)控等技術(shù)進(jìn)步進(jìn)一步提高了生產(chǎn)率、質(zhì)量及零件壽命。

后處理技術(shù)整合：定制化后處理技術(shù)與PBF-LB/M工藝的結(jié)合對實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性和提升材料性能至關(guān)重要。傳統(tǒng)熱處理能耗高，而加速熱處理能在不犧牲性能的前提下縮短時間、降低能耗。近期研究提出的更短時、高能效熱處理方案，可在優(yōu)化力學(xué)性能的同時減少環(huán)境成本。此外，通過參數(shù)優(yōu)化和混合制造技術(shù)減少表面后處理需求，也能提升效率與可持續(xù)性。

PBF-LB/M在工業(yè)與交通領(lǐng)域推動可持續(xù)性發(fā)展方面潛力巨大。通過優(yōu)化設(shè)計以減少材料消耗、實(shí)施材料循環(huán)利用、管理能源使用、簡化后處理流程、開展全生命周期評估以及加強(qiáng)跨行業(yè)協(xié)作，制造商可顯著降低環(huán)境足跡。盡管仍面臨能耗高、規(guī)�；�限制及原料制備的環(huán)境影響等挑戰(zhàn)，但鋁合金增材制造技術(shù)對可持續(xù)制造業(yè)的變革潛力不可忽視。未來需持續(xù)推動工藝優(yōu)化、材料開發(fā)和可再生能源整合的創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)其全面可持續(xù)目標(biāo)。


論文鏈接：
https://doi.org/10.3390/app15042221