鋁和鋁合金被認(rèn)為是增材制造發(fā)展到大批量生產(chǎn)應(yīng)用的下一階段最有潛力的材料之一。這主要是由于與鈦合金等輕量化金屬相比，鋁具有出色的機(jī)械性能和低廉的價格。然而，增材制造鋁基零件的工業(yè)化應(yīng)用仍有很長的一段路要走，這是因?yàn)殇X材3D打印面臨的幾個固有挑戰(zhàn)仍未得到有效解決。

△Equispheres的鋁合金粉末放大到100微米

與此同時，近幾個月來，鋁價、產(chǎn)量和供應(yīng)的大幅波動一直困擾著供應(yīng)鏈，尤其是在俄烏沖突導(dǎo)致全球緊張局勢加劇的情況下。首先是俄羅斯是全球市場的主要鋁供應(yīng)商，俄羅斯最大的制造商 RUSAL 供應(yīng)歐盟 40% 的鋁需求。二是鋁冶煉是一個耗電大的過程，因此受到近期能源緊縮的影響。在某些情況下，增材制造可以通過減少生產(chǎn)某些增材制造零件所需的材料量來為供應(yīng)鏈彈性運(yùn)轉(zhuǎn)提供解決方案。

鋁3D打印的材料和技術(shù)

鋁3D打印的一個早期挑戰(zhàn)是，幾乎所有用于增材制造的鋁合金最初都是為鑄造應(yīng)用而開發(fā)的。事實(shí)上，迄今為止增材制造中最常用的鋁合金是AlSi10Mg，這是一種時效強(qiáng)化鋁合金，具有良好的硬度，強(qiáng)度和動態(tài)韌性，傳統(tǒng)上用作鑄造合金。由AlSi10Mg制成的粉末通常用于增材制造，并且最終組件具有高耐腐蝕性，低密度和高機(jī)械強(qiáng)度。

△常見的增材制造和相關(guān)技術(shù)的商用鋁合金材料，資料來源：3dpbm Research，****：代表開發(fā)中

用于激光粉末床熔融（L-PBF）的鋁材料

對于常見的鋁合金材料，大多數(shù)硬件公司和服務(wù)提供商是采取L-PBF技術(shù)來進(jìn)行加工。例如，美國公司VELO3D使用其藍(lán)寶石系統(tǒng)開發(fā)了一種由鋁F3制成的357D打印零件的工藝。這為鑄造級鋁合金創(chuàng)造了新的機(jī)會，特別是對于航空航天和國防工業(yè)中的薄壁傳熱應(yīng)用。鋁 F357 被認(rèn)為是理想的材料，因?yàn)樗軌蜻M(jìn)行陽極氧化，并且與流行的鑄造合金 A357 具有相似特性。大約在同一時間，作為霍尼韋爾和SLM Solutions合作的一部分，新開發(fā)的鋁合金F357參數(shù)包AlSi7Mg0，6（A357的新型無鈹版本）與通過壓鑄生產(chǎn)的零件相比，材料性能有了顯著改善。霍尼韋爾與SLM Solutions于2019年宣布合作開發(fā)基于具有高層厚度的金屬粉末床融合3D打印，旨在減少制造時間和生產(chǎn)3D打印飛機(jī)部件的成本，以滿足航空航天工業(yè)的要求。

△A20X是專門為增材制造而開發(fā)的。現(xiàn)在，ALTANA集團(tuán)旗下的ECKART在收購了原始材料開發(fā)商AMT后，在全球范圍內(nèi)進(jìn)行了商業(yè)化。

直到最近，增材制造專用鋁合金才開始在市場上得到采用。第一個也是最受歡迎的是Scalmalloy，它是由航空航天專家APWORKS（現(xiàn)在是Premium AEROTEC的一部分）開發(fā)和銷售的。在全球范圍內(nèi)，具備Scalmalloy制造能力的服務(wù)提供商多是一些金屬增材制造巨頭，如3T和Zare（被BEAMIT收購），SauberEngineering，Metron，https://www.3dprintingbusiness.directory/company/toolcraft/，PolyShape（現(xiàn)在是AddUp的一部分），Pankl和Quadrus Corporation。

另一種流行的增材制造鋁合金材料是A20X，它是專門為增材制造而開發(fā)的，可以提供高達(dá)511 MPa的抗拉強(qiáng)度，高達(dá)440 MPa的屈服強(qiáng)度和高達(dá)13%的斷裂伸長率。A20X在收購原始材料開發(fā)商AMT后，由阿爾塔納集團(tuán)旗下的ECKART在全球范圍內(nèi)商業(yè)化。

△電動摩托車車架，也由APWORKS使用其scalmalloy合金打印

在俄烏沖突之前，全球最大的鋁制造商之一RUSAL推出了用于增材制造鋁的ALLOW系列鋁產(chǎn)品，其中包括鑄造合金和專為增材制造工藝開發(fā)的幾種合金，并針對可持續(xù)性和低能耗需求進(jìn)行了優(yōu)化。其中包括RS-230 AlCu（一種耐熱裂的2xxx系列合金）和RS-390 AlSiNi合金，適用于高達(dá)250°C的應(yīng)用;以及RS 507 AlMg和RS-553AlMgSc合金，它們是耐腐蝕的高強(qiáng)度材料，售價明顯低于Scalmalloy。雖然威脅要全面禁止俄羅斯鋁尚未生效，但目前尚不清楚RUSAL鋁粉的商業(yè)前景是什么，畢竟該公司生產(chǎn)的鋁占全球鋁的6%。

2020年，法國公司Constellium推出了用于L-PBF的新一代優(yōu)化高性能鋁粉Aheadd。其中，Aheadd CP1 （Al-Zr-Fe） 是需要高電導(dǎo)率和提高生產(chǎn)率時的首選解決方案。超前HT1（鋁-錳-鎳-銅-鋯）是滿足高溫和強(qiáng)度要求的解決方案。

除了A20X，ALLOW和Aheadd以外，來自加拿大的電力制造商Equispheres也同步推出了用于增材制造的高性能、高精細(xì)鋁粉產(chǎn)品（這是每種產(chǎn)品的品牌名稱及其預(yù)期用途）。該公司開發(fā)了完全均勻、完美的球形粉末，提高了增材制造中的工藝可靠性、生產(chǎn)速度和零件性能，瞄準(zhǔn)了大批量、輕量化增材制造零件的機(jī)會。Equispheres還與TRUMPF，LockheedMartin，Aconity3D和Morf3D合作，以加速開發(fā)。

鋁材料的粘結(jié)劑噴射

Equisphere的鋁粉無需改性或添加劑即可燒結(jié)。這在粘結(jié)劑噴射打印機(jī)平臺上提供了性能優(yōu)勢。粘結(jié)劑噴射工藝被譽(yù)為將增材制造提升到新水平的突破性技術(shù)，這些固有的燒結(jié)鋁粉將為輕量化零件的大規(guī)模生產(chǎn)打開大門。

這就引出了鋁粘結(jié)劑噴射的新話題。隨著金屬PBF工藝通過更大，更快和更自動化的系統(tǒng)變得越來越高效，鋁合金的采用和需求預(yù)計將顯著增長。然而，在增材制造中廣泛采用鋁的一個主要挑戰(zhàn)是，高通量粘結(jié)劑噴射是能夠?qū)崿F(xiàn)大批量生產(chǎn)的制造工藝，而鋁的低成本又能夠?qū)⑦@一優(yōu)勢充分放大。在材料開發(fā)方面，高通量粘結(jié)劑噴射所使用的材料最初多是從用于注射成型（MIM）工藝的金屬材料調(diào)整過來，但鋁及其合金的粘結(jié)劑噴射技術(shù)卻遲遲未得到發(fā)展。

△采用6061材料 3D 打印的具有高分辨率和幾何形狀的鋁制發(fā)動機(jī)缸體模型，是通過福特和 ExOne（現(xiàn)為 Desktop metal 的一部分）聯(lián)合開發(fā)的新型粘合劑噴射 3D 打印和燒結(jié)工藝（正在申請專利）制造

與傳統(tǒng)MIM一樣，在粘結(jié)劑噴射中，金屬粉末首先與粘合劑混合，以使其可模塑或增材制造零件。然后將生坯部分在熔爐中燒結(jié)。粘合劑被去除，氧化層被加熱減少。金屬粉末連接形成固體物體。鋁的燒結(jié)具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)轭w粒周圍的氧化層只能在極高的溫度下去除，而鋁的熔點(diǎn)相對較低，這限制了最高燒結(jié)溫度。因此，在整個金屬片熔化之前去除鋁粉上的氧化層是非常具有挑戰(zhàn)性的。

這個問題的解決方案已經(jīng)探索了好幾年，但鋁作為粘合劑可噴射材料的完全商業(yè)化仍然遙不可及。然而，今天，這種情況可能正在改變。2021年初，兩家粘結(jié)劑噴射公司Desktop metal和ExOne（現(xiàn)已合并）分別在鋁6061燒結(jié)方面取得了重大突破，并采用粘結(jié)劑噴射技術(shù)生產(chǎn)出了相關(guān)材質(zhì)的零件。

Desktop metal開發(fā)的新型鋁6061粉末能夠完成燒結(jié)，并且比以前鋁燒結(jié)的技術(shù)有了顯著改進(jìn)，該技術(shù)需要涂覆粉末顆粒，將燒結(jié)助劑混合到粉末中，使用含有昂貴納米顆粒的粘合劑或添加鉛，錫和鎂等金屬。至關(guān)重要的是，Desktop metal 的粉末還能夠與水性粘合劑相容，并且與其他市售 6061 鋁粉末相比具有更高的最小點(diǎn)火能量（MIE），從而提高了安全性。Desktop metal和Uniformity Labs正在努力驗(yàn)證粉末和規(guī)模生產(chǎn)的商業(yè)可行性。一旦完全合格，Uniformity6061鋁將可用于桌面金屬生產(chǎn)系統(tǒng)平臺。

鋁作為粘結(jié)劑噴射材料的潛力是巨大的，理光迄今為止將其整個金屬增材制造戰(zhàn)略集中在這一特定領(lǐng)域。雖然其技術(shù)尚未上市，但它已經(jīng)證明了生產(chǎn)復(fù)雜和相當(dāng)大的零件的能力。

可用于動態(tài)固結(jié)的鋁材料

另一家來自澳大利亞的SPEE3D公司通過其超音速3D沉積技術(shù)支持（非球形）鋁粉（包括6061、5056和7075）的高速、大幅面3D打印，這是一種動力學(xué)固結(jié)（又名冷噴涂粉末）。這是專利工藝的名稱，其中渦輪噴嘴將空氣加速到音速的三倍，將金屬粉末注入其中，然后沉積到由六軸機(jī)械臂操縱的基板上。在這個過程中，顆粒相互撞擊的絕對動能導(dǎo)致粉末結(jié)合在一起，形成具有優(yōu)于鑄造的冶金性能的高密度部件。

以線材為原料的3D打印鋁

鋁合金也可以被證明是高通量WAAM（線弧增材制造）工藝中具有價值且極具成本效益的材料。在各種類型的WAAM技術(shù)中使用各種鋁合金目前是一個活躍的研究領(lǐng)域。最近的研究表明，最有前途的合金是AlLi，AlCu，Al-Mg，AlZnMgCu，AlCuMg，AlSiMg，AlMgSi和AlMgMn/AlMg5Mn（由于其高強(qiáng)度和耐腐蝕性，這些合金特別受關(guān)注）。全球幾家基于線材的金屬DED公司也將鋁列為了關(guān)鍵材料。

AML3D是一家通過Arcemy系統(tǒng)銷售WAM（線材增材制造）技術(shù)的澳大利亞公司，該公司支持使用多種線材形式的鋁合金，特別是2319、4043、5183、5183（0.2%Sc）、5356和5087。WAM工藝的特點(diǎn)是直接能量沉積的3D打印標(biāo)準(zhǔn)，與其他送絲金屬打印技術(shù)（如電子束，線材饋送激光和激光燒結(jié)工藝）相比，WAM可用于使用局部惰性氣體在開放的自由形式制造環(huán)境中打印金屬零件，從而降低制造成本，同時改善材料性能。

△AML3D的大幅面Arcemy系統(tǒng)

MX3D 是荷蘭 WAAM 技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，以多種備受矚目的應(yīng)用而聞名，該公司對其WAAM技術(shù)兼容的各種鋁材料進(jìn)行了認(rèn)證（可通過生產(chǎn)服務(wù)和 M1 硬件系統(tǒng)獲得）。其中包括線材形式的AlSi10Mg（4046）和AlSi7Mg（4018）以及5356和5087。WAAM3D是一家英國公司，最近憑借先進(jìn)且高度自動化的roboWAAM系統(tǒng)進(jìn)入市場，還提供鋁質(zhì)線材（2024和5087）。

這些合金被列為WAAM1D的CMT-WAAM（冷金屬噴涂）工藝的“3級”材料，這意味著該公司已設(shè)置了特定于材料的主要工藝參數(shù)，以確保打印正確的幾何形狀，沒有缺陷。它們也可作為WAAM0D的PTA-WAAM（等離子轉(zhuǎn)移?。┕に嚨摹?級”材料提供，這意味著用戶必須為自己的研發(fā)選擇工藝參數(shù)。

△MX3D團(tuán)隊?wèi)c祝 M1 系統(tǒng)于 2021 年推出，該系統(tǒng)已在汽車和海事領(lǐng)域得到采用。

Meltio是一家快速增長的公司，銷售高速，低成本，主要開發(fā)基于金屬線的增材制造系統(tǒng)，目前該公司支持的材料中不提供鋁。同樣值得注意的是，施樂最近放棄了其ElemX項(xiàng)目，該項(xiàng)目基于液態(tài)金屬打印方法，并將鋁作為該技術(shù)應(yīng)用和增長戰(zhàn)略的主要材料。

在美國，MELD是一家專注于國防應(yīng)用的成長型初創(chuàng)公司，它開發(fā)了一種固態(tài)工藝（意味著材料在此過程中不會達(dá)到熔化溫度），以生產(chǎn)具有低殘余應(yīng)力和全密度的高質(zhì)量材料和零件，并且比傳統(tǒng)的基于聚變的工藝具有更低的能源需求。MELD工藝能夠以金屬增材制造市場上尚未見過的規(guī)模打印大型金屬零件，并且沉積材料的速度至少比基于熔融的金屬增材工藝快10倍。MELD的第一臺商用機(jī)器B8使用實(shí)心金屬棒，但也可以組合不同的粉末來制造金屬基復(fù)合材料（MMC），如Al-SiC，Al-Fe，Al-W，Al-Mo。

△來自英國WAAM3D的新roboWAAM系統(tǒng)

在材料供應(yīng)商中，voestalpine B?hler的增材制造材料組合包括用于WAAM的非指定鋁線。然而，鋁材料在WAAM技術(shù)中的生產(chǎn)仍然經(jīng)常受到孔隙率和凝固裂紋等缺陷的限制，這些缺陷會嚴(yán)重限制組件的機(jī)械性能，例如組件強(qiáng)度或延展性。最近，一家名為Fortium metals的初創(chuàng)公司以Elementum 3D的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)進(jìn)入市場，專注于用于增材制造的金屬線材。該公司專注于通過解決熱撕裂和熱裂紋問題，提供“焊接不可焊接的理想冶金”，包括1xxx、2xxx、6xxx 和 7xxx 系列鋁。

3D打印鋁質(zhì)部件的應(yīng)用

隨著金屬開發(fā)商和制造商引入更多增材制造專用鋁和鋁合金材料，金屬3D打印行業(yè)將持續(xù)取得增長。今天，盡管鋁增材制造的應(yīng)用潛力在很大程度上仍未開發(fā)，但它在某些領(lǐng)域正在取得進(jìn)展。

Scalmalloy是專門為航空航天應(yīng)用開發(fā)的，并具有滿足苛刻應(yīng)用環(huán)境的特性。鋁鎂鈧粉末合金具有較高的強(qiáng)度重量比，良好的延展性和耐腐蝕性。與拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)合使用，該材料可以提供輕量化、高性能的飛機(jī)部件。還值得一提的是，早在 2016 年，APWORKS 就使用這種鋁合金打造了一款 3D 打印摩托車 Light Rider。

△梅賽德斯奔馳卡車上使用的3D打印鋁制備件。

在汽車和賽車運(yùn)動領(lǐng)域，鋁合金3D打印技術(shù)正在得到應(yīng)用。一個值得注意的例子是BMW i8 Roadster上的車窗導(dǎo)軌。金屬部件由鋁合金制成，重量比通常使用的注塑成型塑料部件輕，但仍然要硬得多。它的重要性已經(jīng)得到了ALTAIR Enlighten獎的認(rèn)可。另一個關(guān)鍵應(yīng)用是梅賽德斯奔馳3D打印2017年卡車部門的首批備件之一。另一項(xiàng)關(guān)鍵舉措也可以追溯到2017年，戴姆勒，EOS和Premium Aerotec合作伙伴參與了NextGen AM項(xiàng)目，其主要目標(biāo)是推進(jìn)工業(yè)3D打印過程的自動化，特別關(guān)注工業(yè)3D打印用鋁材的資格認(rèn)定。該項(xiàng)目于2019年結(jié)束，因?yàn)閮杉夜颈硎舅麄円呀?jīng)獲得了重要的見解。

賽車運(yùn)動是增材制造的另一個高增長領(lǐng)域，鋁質(zhì)部件可以發(fā)揮作用。2020 年，一級方程式賽車批準(zhǔn)在 1 賽季使用兩種 Elementum 3D 鋁粉（A6061-RAM1 和 A2024-RAM2）。Elementum 3D 的 A6061-RAM2 合金也被航空航天初創(chuàng)公司 Masten Space Systems 用于生產(chǎn) 3D 打印電子泵。

△Czinger21超級跑車由Divergent與SLM Solutions合作開發(fā)，每輛車上都有多達(dá)350個3D打印部件，其中大部分是用鋁合金制成的。

豪華和超級跑車汽車領(lǐng)域仍然是鋁3D打印技術(shù)最容易得到應(yīng)用的領(lǐng)域，特別是L-PBF技術(shù)。最值得注意的是Divergent和SLM Solutions在Czinger21超級跑車上的持續(xù)合作，每輛車上有多達(dá)350個3D打印部件，其中大部分是用鋁合金制成的。

在汽車領(lǐng)域同樣值得注意的是德國EDAG集團(tuán)，該集團(tuán)于2020年與八個合作伙伴合作開發(fā)了用于3D打印汽車零件的鋁合金。金屬CustAlloy被設(shè)計為“防撞”功能，并具有比其他增材制造鋁材料更高的強(qiáng)度和斷裂伸長率。著眼于在大眾市場汽車中更廣泛的應(yīng)用，福特和粘結(jié)劑噴射專家ExOne（現(xiàn)在是Desktop metal的一部分）開發(fā)了一種使用粘合劑噴射3D打印鋁6061的方法，并燒結(jié)它。該工藝能夠生產(chǎn)密度為99%的零件，并正在申請專利。

鋁合金在工業(yè)領(lǐng)域也有無數(shù)的應(yīng)用，包括熱交換器和散熱器的生產(chǎn)。澳大利亞增材制造公司ConfluxTechnology展示了如何使用增材制造和鋁合金生產(chǎn)更高效的熱交換器。具體來說，該公司展示了使用EOS M3 290D打印機(jī)和EOS的AlSi3Mg材料制造的10D打印熱交換器?，F(xiàn)在獲得專利的熱交換器在一系列行業(yè)中具有各種應(yīng)用，包括航空航天，汽車，石油和天然氣，化學(xué)加工和微處理器冷卻。

△MELDManufacturing首席執(zhí)行官Naci Hardwick與金屬3D打印部件。資料來源：MELD制造公司linkedIn

基于電線的大幅面應(yīng)用（主要通過WAAM技術(shù)）包括鋁龍骨項(xiàng)目，這是KM Yachtbuilders和MX3D之間正在開展的合作項(xiàng)目的一部分，旨在為海事行業(yè)研究和3D打印鋁制零件。鋁制3D打印龍骨是使用該公司的機(jī)器人WAAM（線弧增材制造）工藝生產(chǎn)的。最近的另一個項(xiàng)目是MX3D推出了一款3D打印的鋁制自行車Arc Bike II。

說到大幅面鋁打印零件，迄今為止最大的是由MELD制造公司生產(chǎn)的。這家美國公司使用其獨(dú)特的摩擦固結(jié)3D打印工藝，通過使用現(xiàn)成的鋁條打印一個十英尺（3.05米）直徑的鋁筒來展示其露天能力的可擴(kuò)展性。

△MX3D為KM游艇制造商提供的鋁制3D打印龍骨

量化鋁材增材制造業(yè)務(wù)

通過審核當(dāng)今市場上的每一種增材制造產(chǎn)品，3dpbm Research根據(jù)每個主要材料系列的出貨量記錄，對金屬增材制造市場進(jìn)行了最準(zhǔn)確的概述。這為最近發(fā)布的金屬增材制造市場趨勢和機(jī)遇報告中特定材料系列的10年預(yù)測提供了基礎(chǔ)。

該報告顯示，增材制造中增長最快的材料系列是鋁和銅。鋁已經(jīng)廣泛用于粉末增材制造工藝，但直到最近，市場上幾乎所有的鋁增材制造粉，包括最受歡迎的AlSi10Mg，都是適用于增材制造工藝的鑄造合金。從APWORKS于2016年推出的Scalmalloy和專門為AM開發(fā)的新一代鋁合金A20X開始進(jìn)入市場。

在增材制造中采用鋁的主要障礙是使材料適應(yīng)結(jié)合金屬工藝。粘結(jié)劑噴射（BMP）工藝將成為增材制造鋁合金的最大消費(fèi)者，因?yàn)檫@些技術(shù)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)具有成本效益的大批量生產(chǎn)。但是BMP工藝仍需要在熔爐中燒結(jié)生坯部件的步驟，這仍然是一個挑戰(zhàn)，現(xiàn)在才開始得到解決。

就金屬增材制造材料需求預(yù)測而言，最明顯的變化是鋁合金應(yīng)用的快速增長。如今，鋁合金是僅次于鋼、鈦和鎳的第四大最受歡迎的合金，249 年出貨量為 7.2021 噸，與36 年相比增長了 +7.2020%。到2030年，它們將成為第三大最受歡迎的合金，屆時它們將占金屬增材制造材料總出貨量的近20%，為5,354噸。如果粘結(jié)劑噴射技術(shù)證明能夠熟練地加工鋁以進(jìn)行批量生產(chǎn)，那么鋁需求的增加可能會更加顯著。

就收入而言，鋁合金是 2020 年第四大材料領(lǐng)域，僅產(chǎn)生 1790 萬美元，到 2021 年增長36.8%，這使我們能夠更好地了解增材制造材料市場的規(guī)模。雖然增長將是顯著的，但由于通過 3D 打印生產(chǎn)零件所需的數(shù)量很少，而且通常通過增材制造生產(chǎn)的零件數(shù)量很少，無論是原型和工具（通常是一次性的）還是小批量生產(chǎn)零件。

考慮到這一點(diǎn)，從各種潛在的應(yīng)用和用途中可以清楚地看出，鋁增材制造注定會在這十年內(nèi)飛速增長。在目前成熟的金屬增材制造材料中，預(yù)計鋁合金的復(fù)合年增長率最高，達(dá)到 33.3%，其次是鈦、鋼、鎳和鈷合金。這將使鋁及其合金在預(yù)測期結(jié)束時成為第三大最相關(guān)的收入機(jī)會，到 2030 年將產(chǎn)生 3.21 億美元的年銷售額（增長超過 1700%）。