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导读：铝和铝合金被认为是增材制造发展到大批量生产应用的下一阶段最有潜力的材料之一。这主要是由于与钛合金等轻量化金属相比，铝具有出色的机械性能和低廉的价格。然而，增材制造铝基零件的工业化应用仍有很长的一段路要走，这是因为铝材3D打印面临的几个固有挑战仍未得到有效解决。
△Equispheres的铝合金粉末放大到100微米
与此同时，近几个月来，铝价、产量和供应的大幅波动一直困扰着供应链，尤其是在俄乌冲突导致全球紧张局势加剧的情况下。首先是俄罗斯是全球市场的主要铝供应商，俄罗斯最大的制造商 RUSAL 供应欧盟 40% 的铝需求。二是铝冶炼是一个耗电大的过程，因此受到近期能源紧缩的影响。在某些情况下，增材制造可以通过减少生产某些增材制造零件所需的材料量来为供应链弹性运转提供解决方案。
铝3D打印的材料和技术
铝3D打印的一个早期挑战是，几乎所有用于增材制造的铝合金最初都是为铸造应用而开发的。事实上，迄今为止增材制造中最常用的铝合金是AlSi10Mg，这是一种时效强化铝合金，具有良好的硬度，强度和动态韧性，传统上用作铸造合金。由AlSi10Mg制成的粉末通常用于增材制造，并且最终组件具有高耐腐蚀性，低密度和高机械强度。
△常见的增材制造和相关技术的商用铝合金材料 资料来源：3dpbm Research ****：代表开发中
用于激光粉末床熔融（L-PBF）的铝材料
对于常见的铝合金材料，大多数硬件公司和服务提供商是采取L-PBF技术来进行加工。例如，美国公司Velo3D使用其蓝宝石系统开发了一种由铝F3制成的357D打印零件的工艺。这为铸造级铝合金创造了新的机会，特别是对于航空航天和国防工业中的薄壁传热应用。铝 F357 被认为是理想的材料，因为它能够进行阳极氧化，并且与流行的铸造合金 A357 具有相似特性。大约在同一时间，作为霍尼韦尔和SLM Solutions合作的一部分，新开发的铝合金F357参数包AlSi7Mg0，6（A357的新型无铍版本）与通过压铸生产的零件相比，材料性能有了显着改善。霍尼韦尔与SLM Solutions于2019年宣布合作开发基于具有高层厚度的金属粉末床融合3D打印，旨在减少制造时间和生产3D打印飞机部件的成本，以满足航空航天工业的要求。
△A20X是专门为增材制造而开发的。现在，ALTANA集团旗下的ECKART在收购了原始材料开发商AMT后，在全球范围内进行了商业化。
另一种流行的增材制造铝合金材料是A20X，它是专门为增材制造而开发的，可以提供高达511 MPa的抗拉强度，高达440 MPa的屈服强度和高达13%的断裂伸长率。A20X在收购原始材料开发商AMT后，由阿尔塔纳集团旗下的ECKART在全球范围内商业化。
△电动摩托车车架，也由APWORKS使用其scalmalloy合金打印
在俄乌冲突之前，全球最大的铝制造商之一RUSAL推出了用于增材制造铝的ALLOW系列铝产品，其中包括铸造合金和专为增材制造工艺开发的几种合金，并针对可持续性和低能耗需求进行了优化。其中包括RS-230 AlCu（一种耐热裂的2xxx系列合金）和RS-390 AlSiNi合金，适用于高达250°C的应用;以及RS 507 AlMg和RS-553AlMgSc合金，它们是耐腐蚀的高强度材料，售价明显低于Scalmalloy。虽然威胁要全面禁止俄罗斯铝尚未生效，但目前尚不清楚RUSAL铝粉的商业前景是什么，毕竟该公司生产的铝占全球铝的6%。
2020年，法国公司Constellium推出了用于L-PBF的新一代优化高性能铝粉Aheadd。其中，Aheadd CP1 （Al-Zr-Fe） 是需要高电导率和提高生产率时的首选解决方案。超前HT1（铝-锰-镍-铜-锆）是满足高温和强度要求的解决方案。
除了A20X，ALLOW和Aheadd以外，来自加拿大的电力制造商Equispheres也同步推出了用于增材制造的高性能、高精细铝粉产品（这是每种产品的品牌名称及其预期用途）。该公司开发了完全均匀、完美的球形粉末，提高了增材制造中的工艺可靠性、生产速度和零件性能，瞄准了大批量、轻量化增材制造零件的机会。Equispheres还与TRUMPF，LockheedMartin，Aconity3D和Morf3D合作，以加速开发。
铝材料的粘结剂喷射
Equisphere的铝粉无需改性或添加剂即可烧结。这在粘结剂喷射打印机平台上提供了性能优势。粘结剂喷射工艺被誉为将增材制造提升到新水平的突破性技术，这些固有的烧结铝粉将为轻量化零件的大规模生产打开大门。
这就引出了铝粘结剂喷射的新话题。随着金属PBF工艺通过更大，更快和更自动化的系统变得越来越高效，铝合金的采用和需求预计将显著增长。然而，在增材制造中广泛采用铝的一个主要挑战是，高通量粘结剂喷射是能够实现大批量生产的制造工艺，而铝的低成本又能够将这一优势充分放大。在材料开发方面，高通量粘结剂喷射所使用的材料最初多是从用于注射成型（MIM）工艺的金属材料调整过来，但铝及其合金的粘结剂喷射技术却迟迟未得到发展。
△采用6061材料 3D 打印的具有高分辨率和几何形状的铝制发动机缸体模型，是通过福特和 ExOne（现为 Desktop Metal 的一部分）联合开发的新型粘合剂喷射 3D 打印和烧结工艺（正在申请专利）制造
与传统MIM一样，在粘结剂喷射中，金属粉末首先与粘合剂混合，以使其可模塑或增材制造零件。然后将生坯部分在熔炉中烧结。粘合剂被去除，氧化层被加热减少。金属粉末连接形成固体物体。铝的烧结具有挑战性，因为颗粒周围的氧化层只能在极高的温度下去除，而铝的熔点相对较低，这限制了最高烧结温度。因此，在整个金属片熔化之前去除铝粉上的氧化层是非常具有挑战性的。
这个问题的解决方案已经探索了好几年，但铝作为粘合剂可喷射材料的完全商业化仍然遥不可及。然而，今天，这种情况可能正在改变。2021年初，两家粘结剂喷射公司Desktop Metal和ExOne（现已合并）分别在铝6061烧结方面取得了重大突破，并采用粘结剂喷射技术生产出了相关材质的零件。
Desktop Metal开发的新型铝6061粉末能够完成烧结，并且比以前铝烧结的技术有了显著改进，该技术需要涂覆粉末颗粒，将烧结助剂混合到粉末中，使用含有昂贵纳米颗粒的粘合剂或添加铅，锡和镁等金属。至关重要的是，Desktop Metal 的粉末还能够与水性粘合剂相容，并且与其他市售 6061 铝粉末相比具有更高的最小点火能量（MIE），从而提高了安全性。Desktop Metal和Uniformity Labs正在努力验证粉末和规模生产的商业可行性。一旦完全合格，Uniformity6061铝将可用于桌面金属生产系统平台。
铝作为粘结剂喷射材料的潜力是巨大的，理光迄今为止将其整个金属增材制造战略集中在这一特定领域。虽然其技术尚未上市，但它已经证明了生产复杂和相当大的零件的能力。
可用于动态固结的铝材料
另一家来自澳大利亚的SPEE3D公司通过其超音速3D沉积技术支持（非球形）铝粉（包括6061、5056和7075）的高速、大幅面3D打印，这是一种动力学固结（又名冷喷涂粉末）。这是专利工艺的名称，其中涡轮喷嘴将空气加速到音速的三倍，将金属粉末注入其中，然后沉积到由六轴机械臂操纵的基板上。在这个过程中，颗粒相互撞击的绝对动能导致粉末结合在一起，形成具有优于铸造的冶金性能的高密度部件。
以线材为原料的3D打印铝
铝合金也可以被证明是高通量WAAM（线弧增材制造）工艺中具有价值且极具成本效益的材料。在各种类型的WAAM技术中使用各种铝合金目前是一个活跃的研究领域。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（由于其高强度和耐腐蚀性，这些合金特别受关注）。全球几家基于线材的金属DED公司也将铝列为了关键材料。
AML3D是一家通过Arcemy系统销售WAM（线材增材制造）技术的澳大利亚公司，该公司支持使用多种线材形式的铝合金，特别是2319、4043、5183、5183（0.2%Sc）、5356和5087。WAM工艺的特点是直接能量沉积的3D打印标准，与其他送丝金属打印技术（如电子束，线材馈送激光和激光烧结工艺）相比，WAM可用于使用局部惰性气体在开放的自由形式制造环境中打印金属零件，从而降低制造成本，同时改善材料性能。
△AML3D的大幅面Arcemy系统
MX3D 是荷兰 WAAM 技术的领导者，以多种备受瞩目的应用而闻名，该公司对其WAAM技术兼容的各种铝材料进行了认证（可通过生产服务和 M1 硬件系统获得）。其中包括线材形式的AlSi10Mg（4046）和AlSi7Mg（4018）以及5356和5087。WAAM3D是一家英国公司，最近凭借先进且高度自动化的roboWAAM系统进入市场，还提供铝质线材（2024和5087）。
这些合金被列为WAAM1D的CMT-WAAM（冷金属喷涂）工艺的“3级”材料，这意味着该公司已设置了特定于材料的主要工艺参数，以确保打印正确的几何形状，没有缺陷。它们也可作为WAAM0D的PTA-WAAM（等离子转移弧）工艺的“3级”材料提供，这意味着用户必须为自己的研发选择工艺参数。
△MX3D团队庆祝 M1 系统于 2021 年推出，该系统已在汽车和海事领域得到采用。
Meltio是一家快速增长的公司，销售高速，低成本，主要开发基于金属线的增材制造系统，目前该公司支持的材料中不提供铝。同样值得注意的是，施乐最近放弃了其ElemX项目，该项目基于液态金属打印方法，并将铝作为该技术应用和增长战略的主要材料。
在美国，MELD是一家专注于国防应用的成长型初创公司，它开发了一种固态工艺（意味着材料在此过程中不会达到熔化温度），以生产具有低残余应力和全密度的高质量材料和零件，并且比传统的基于聚变的工艺具有更低的能源需求。MELD工艺能够以金属增材制造市场上尚未见过的规模打印大型金属零件，并且沉积材料的速度至少比基于熔融的金属增材工艺快10倍。MELD的第一台商用机器B8使用实心金属棒，但也可以组合不同的粉末来制造金属基复合材料（MMC），如Al-SiC，Al-Fe，Al-W，Al-Mo。
△来自英国WAAM3D的新roboWAAM系统
在材料供应商中，voestalpine Böhler的增材制造材料组合包括用于WAAM的非指定铝线。然而，铝材料在WAAM技术中的生产仍然经常受到孔隙率和凝固裂纹等缺陷的限制，这些缺陷会严重限制组件的机械性能，例如组件强度或延展性。最近，一家名为Fortium Metals的初创公司以Elementum 3D的经验为基础进入市场，专注于用于增材制造的金属线材。该公司专注于通过解决热撕裂和热裂纹问题，提供“焊接不可焊接的理想冶金”，包括1xxx、2xxx、6xxx 和 7xxx 系列铝。
3D打印铝质部件的应用
随着金属开发商和制造商引入更多增材制造专用铝和铝合金材料，金属3D打印行业将持续取得增长。今天，尽管铝增材制造的应用潜力在很大程度上仍未开发，但它在某些领域正在取得进展。
Scalmalloy是专门为航空航天应用开发的，并具有满足苛刻应用环境的特性。铝镁钪粉末合金具有较高的强度重量比，良好的延展性和耐腐蚀性。与拓扑优化结合使用，该材料可以提供轻量化、高性能的飞机部件。还值得一提的是，早在 2016 年，APWORKS 就使用这种铝合金打造了一款 3D 打印摩托车 Light Rider。
△梅赛德斯奔驰卡车上使用的3D打印铝制备件。
在汽车和赛车运动领域，铝合金3D打印技术正在得到应用。一个值得注意的例子是BMW i8 Roadster上的车窗导轨。金属部件由铝合金制成，重量比通常使用的注塑成型塑料部件轻，但仍然要硬得多。它的重要性已经得到了Altair Enlighten奖的认可。另一个关键应用是梅赛德斯奔驰3D打印2017年卡车部门的首批备件之一。另一项关键举措也可以追溯到2017年，戴姆勒，EOS和Premium Aerotec合作伙伴参与了NextGen AM项目，其主要目标是推进工业3D打印过程的自动化，特别关注工业3D打印用铝材的资格认定。该项目于2019年结束，因为两家公司表示他们已经获得了重要的见解。
赛车运动是增材制造的另一个高增长领域，铝质部件可以发挥作用。2020 年，一级方程式赛车批准在 1 赛季使用两种 Elementum 3D 铝粉（A6061-RAM1 和 A2024-RAM2）。Elementum 3D 的 A6061-RAM2 合金也被航空航天初创公司 Masten Space Systems 用于生产 3D 打印电子泵。
△Czinger21超级跑车由Divergent与SLM Solutions合作开发，每辆车上都有多达350个3D打印部件，其中大部分是用铝合金制成的。
豪华和超级跑车汽车领域仍然是铝3D打印技术最容易得到应用的领域，特别是L-PBF技术。最值得注意的是Divergent和SLM Solutions在Czinger21超级跑车上的持续合作，每辆车上有多达350个3D打印部件，其中大部分是用铝合金制成的。
在汽车领域同样值得注意的是德国EDAG集团，该集团于2020年与八个合作伙伴合作开发了用于3D打印汽车零件的铝合金。金属CustAlloy被设计为“防撞”功能，并具有比其他增材制造铝材料更高的强度和断裂伸长率。着眼于在大众市场汽车中更广泛的应用，福特和粘结剂喷射专家ExOne（现在是Desktop Metal的一部分）开发了一种使用粘合剂喷射3D打印铝6061的方法，并烧结它。该工艺能够生产密度为99%的零件，并正在申请专利。
铝合金在工业领域也有无数的应用，包括热交换器和散热器的生产。澳大利亚增材制造公司ConfluxTechnology展示了如何使用增材制造和铝合金生产更高效的热交换器。具体来说，该公司展示了使用EOS M3 290D打印机和EOS的AlSi3Mg材料制造的10D打印热交换器。现在获得专利的热交换器在一系列行业中具有各种应用，包括航空航天，汽车，石油和天然气，化学加工和微处理器冷却。
△MELDManufacturing首席执行官Naci Hardwick与金属3D打印部件。资料来源：MELD制造公司LinkedIn
基于电线的大幅面应用（主要通过WAAM技术）包括铝龙骨项目，这是KM Yachtbuilders和MX3D之间正在开展的合作项目的一部分，旨在为海事行业研究和3D打印铝制零件。铝制3D打印龙骨是使用该公司的机器人WAAM（线弧增材制造）工艺生产的。最近的另一个项目是MX3D推出了一款3D打印的铝制自行车Arc Bike II。
说到大幅面铝打印零件，迄今为止最大的是由MELD制造公司生产的。这家美国公司使用其独特的摩擦固结3D打印工艺，通过使用现成的铝条打印一个十英尺（3.05米）直径的铝筒来展示其露天能力的可扩展性。
△MX3D为KM游艇制造商提供的铝制3D打印龙骨
量化铝材增材制造业务
通过审核当今市场上的每一种增材制造产品，3dpbm Research根据每个主要材料系列的出货量记录，对金属增材制造市场进行了最准确的概述。这为最近发布的金属增材制造市场趋势和机遇报告中特定材料系列的10年预测提供了基础。
该报告显示，增材制造中增长最快的材料系列是铝和铜。铝已经广泛用于粉末增材制造工艺，但直到最近，市场上几乎所有的铝增材制造粉，包括最受欢迎的AlSi10Mg，都是适用于增材制造工艺的铸造合金。从APWORKS于2016年推出的Scalmalloy和专门为AM开发的新一代铝合金A20X开始进入市场。
在增材制造中采用铝的主要障碍是使材料适应结合金属工艺。粘结剂喷射（BMP）工艺将成为增材制造铝合金的最大消费者，因为这些技术的目标是实现具有成本效益的大批量生产。但是BMP工艺仍需要在熔炉中烧结生坯部件的步骤，这仍然是一个挑战，现在才开始得到解决。
就金属增材制造材料需求预测而言，最明显的变化是铝合金应用的快速增长。如今，铝合金是仅次于钢、钛和镍的第四大最受欢迎的合金，249 年出货量为 7.2021 吨，与36 年相比增长了 +7.2020%。到2030年，它们将成为第三大最受欢迎的合金，届时它们将占金属增材制造材料总出货量的近20%，为5,354吨。如果粘结剂喷射技术证明能够熟练地加工铝以进行批量生产，那么铝需求的增加可能会更加显著。
就收入而言，铝合金是 2020 年第四大材料领域，仅产生 1790 万美元，到 2021 年增长36.8%，这使我们能够更好地了解增材制造材料市场的规模。虽然增长将是显着的，但由于通过 3D 打印生产零件所需的数量很少，而且通常通过增材制造生产的零件数量很少，无论是原型和工具（通常是一次性的）还是小批量生产零件。
考虑到这一点，从各种潜在的应用和用途中可以清楚地看出，铝增材制造注定会在这十年内飞速增长。在目前成熟的金属增材制造材料中，预计铝合金的复合年增长率最高，达到 33.3%，其次是钛、钢、镍和钴合金。这将使铝及其合金在预测期结束时成为第三大最相关的收入机会，到 2030 年将产生 3.21 亿美元的年销售额（增长超过 1700%）。
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