意大利都靈理工大學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)與機遇。相關論文以“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域的節(jié)能解決方案中發(fā)揮著關鍵作用。通過金屬激光粉末床熔融技術（PBF-LB/M）加工鋁合金，這一尖端增材制造技術能夠優(yōu)化材料利用率并實現(xiàn)創(chuàng)新的輕量化設計，從而提升可持續(xù)性。
      本研究基于已發(fā)表的文獻，從生命周期評估、循環(huán)經(jīng)濟原則和生態(tài)設計策略的角度，分析了鋁PBF-LB/M制造的生態(tài)影響，并提出了減少環(huán)境足跡的潛在機遇。同時，文章闡明了該技術面臨的關鍵挑戰(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、工藝優(yōu)化到后處理策略等一系列可持續(xù)解決方案。
      通過跨學科研究方法，本文強調(diào)了PBF成型鋁合金在實現(xiàn)可持續(xù)制造目標中的重要作用，并為工業(yè)應用提供了推動技術創(chuàng)新與韌性的可行建議，最終提出了一條平衡環(huán)保責任與高性能需求的實踐路徑。
 

       本綜述探討了PBF-LB/M如何通過提升材料效率、減少浪費及優(yōu)化能源使用來應對鋁合金生產(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的設計靈活性和高效性，使其成為可持續(xù)創(chuàng)新的關鍵驅(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（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（如冷機械衍生粉末和UniMelt®等離子體技術）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一步減少二氧化碳排放并保護自然資源。此外，通過混合、篩分和性能監(jiān)測等嚴格質(zhì)量控制措施，實現(xiàn)PBF-LB/M粉末在多輪構(gòu)建中的重復使用，可提升可持續(xù)性與經(jīng)濟性。
      輕量化設計與工藝優(yōu)化：PBF-LB/M通過結(jié)合輕量化材料與先進設計革新了可持續(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，使零件具備更高強度、延展性和熱穩(wěn)定性。拓撲優(yōu)化和點陣結(jié)構(gòu)等設計技術提升了材料效率、減輕重量并優(yōu)化性能，這對航空航天和汽車應用至關重要。通過實驗設計（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，同時確保致密耐用的零件。多激光系統(tǒng)、極坐標設計和實時熔池監(jiān)控等技術進步進一步提高了生產(chǎn)率、質(zhì)量及零件壽命。
     后處理技術整合：定制化后處理技術與PBF-LB/M工藝的結(jié)合對實現(xiàn)可持續(xù)性和提升材料性能至關重要。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)與交通領域推動可持續(xù)性發(fā)展方面潛力巨大。通過優(yōu)化設計以減少材料消耗、實施材料循環(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)模化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，實現(xiàn)其全面可持續(xù)目標。


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

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