铝激光增材制造：基于可持续性视角的挑战与机遇综述

导读：长三角G60激光联盟

意大利都灵理工大学的科研人员综述报道了铝激光增材制造：基于可持续性视角的挑战与机遇。相关论文以“Aluminum Laser Additive Manufacturing: A Review on Challenges and Opportunities Through the Lens of Sustainability”为题发表在《Applied Sciences》上。

制造业是全球能源消耗与温室气体排放的主要来源之一，因此可持续性已成为该领域的核心议题。铝因其轻量化与可回收特性，在交通和航空航天等领域的节能解决方案中发挥着关键作用。通过金属激光粉末床熔融技术（PBF-LB/M）加工铝合金，这一尖端增材制造技术能够优化材料利用率并实现创新的轻量化设计，从而提升可持续性。

本研究基于已发表的文献，从生命周期评估、循环经济原则和生态设计策略的角度，分析了铝PBF-LB/M制造的生态影响，并提出了减少环境足迹的潜在机遇。同时，文章阐明了该技术面临的关键挑战，例如铝PBF-LB/M工艺的高能耗问题及规模化限制。此外，研究探讨了从粉末制备技术、工艺优化到后处理策略等一系列可持续解决方案。

通过跨学科研究方法，本文强调了PBF成型铝合金在实现可持续制造目标中的重要作用，并为工业应用提供了推动技术创新与韧性的可行建议，最终提出了一条平衡环保责任与高性能需求的实践路径。

图1本综述的结构框架

图2铝工业的二氧化碳排放

图3PBF-LB/M 制造零部件的生命周期

图4PBF-LB/M 制造叶轮的生命周期清单及影响评估

图5PBF-LB/M 制备Al-Mg-Sc-Zr合金时新粉与回收粉的表面形貌及力学行为对比

图6PBF-LB/M 制备的拓扑优化结构示例：(a) APWorks 公司研制的首款3D打印电动摩托车 Light Rider；(b) RUAG Sentinel卫星的优化天线支架

图7点阵结构的应用实例：(a)换热器；(b)骨科髋关节植入物；(c)被动冲击与振动隔离的实际应用场景

图8VEGA 运载火箭连接支架的拓扑优化与点阵化设计案例研究

图9影响PBF-LB/M工艺生产时间的因素分析（鱼骨图）

图10(a)多激光笛卡尔与极坐标系统配置；(b)旋转系统组件；(c)旋转式PBF-LB/M系统；(d)成型示例

图11增材制造缺陷类型及其监测技术概览（分为离位与在位检测方法）

图12PBF成型铝合金不同热处理方法的能效与性能提升对比

本综述探讨了PBF-LB/M如何通过提升材料效率、减少浪费及优化能源使用来应对铝合金生产中的环境挑战。铝的轻量化与可回收特性，结合PBF-LB/M的设计灵活性和高效性，使其成为可持续创新的关键驱动力。本文从原料生产到后处理的完整工艺链出发，提出了提升PBF-LB/M可持续性的策略：

金属粉末生产：PBF-LB/M用金属粉末的制备能耗高，其环境影响因制备方法和原料来源而异。传统技术（如气体/水雾化或等离子体工艺）需平衡能耗、颗粒形貌与成本。新兴方法（如冷机械衍生粉末和UniMelt®等离子体技术）通过高收率、低能耗生产和高效回收原料，提供了更可持续的替代方案。在粉末生产中引入回收材料可进一步减少二氧化碳排放并保护自然资源。此外，通过混合、筛分和性能监测等严格质量控制措施，实现PBF-LB/M粉末在多轮构建中的重复使用，可提升可持续性与经济性。

轻量化设计与工艺优化：PBF-LB/M通过结合轻量化材料与先进设计革新了可持续制造。定制合金成分的创新及传统合金的改性解决了热裂纹等问题，使零件具备更高强度、延展性和热稳定性。拓扑优化和点阵结构等设计技术提升了材料效率、减轻重量并优化性能，这对航空航天和汽车应用至关重要。通过实验设计（DoE）和单扫描道分析等工艺优化方法，可减少缺陷、能耗和材料浪费，同时确保致密耐用的零件。多激光系统、极坐标设计和实时熔池监控等技术进步进一步提高了生产率、质量及零件寿命。

后处理技术整合：定制化后处理技术与PBF-LB/M工艺的结合对实现可持续性和提升材料性能至关重要。传统热处理能耗高，而加速热处理能在不牺牲性能的前提下缩短时间、降低能耗。近期研究提出的更短时、高能效热处理方案，可在优化力学性能的同时减少环境成本。此外，通过参数优化和混合制造技术减少表面后处理需求，也能提升效率与可持续性。

PBF-LB/M在工业与交通领域推动可持续性发展方面潜力巨大。通过优化设计以减少材料消耗、实施材料循环利用、管理能源使用、简化后处理流程、开展全生命周期评估以及加强跨行业协作，制造商可显著降低环境足迹。尽管仍面临能耗高、规模化限制及原料制备的环境影响等挑战，但铝合金增材制造技术对可持续制造业的变革潜力不可忽视。未来需持续推动工艺优化、材料开发和可再生能源整合的创新，实现其全面可持续目标。


论文链接：
https://doi.org/10.3390/app15042221