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，本文強調了PBF成型鋁合金在實現可持續(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中的環(huán)境挑戰(zhàn)。鋁的輕量化與可回收特性，結合PBF-LB/M的設計靈活性和高效性，使其成為可持續(xù)創(chuàng)新的關鍵驅動力。本文從原料生產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：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)測等嚴格質量控制措施，實現PBF-LB/M粉末在多輪構建中的重復使用，可提升可持續(xù)性與經濟性。
      輕量化設計與工藝優(yōu)化：PBF-LB/M通過結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)化和點陣結構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率、質量及零件壽命。
     后處理技術整合：定制化后處理技術與PBF-LB/M工藝的結合對實現可持續(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，實現其全面可持續(xù)目標。


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

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