工艺综述：近十种铝合金3D打印工艺汇总，阐述技术特点及应用方向

铝合金因具比强度高、高导热、来源广、成本低等优点，成为汽车、航空航天、轨道交通等多领域应用最广泛的金属材料之一。随着增材制造技术的快速发展，多种类型的金属3D打印技术被用于铝合金成型研究和应用。本文内容，主要总结当前可用于铝合金3D打印的各种增材制造技术、特点及其应用方向。

1. 激光粉末床熔融

采用SLM/L-PBF工艺3D打印制造零件的最大优势在于能够制造高精度、具有良好表面质量的复杂几何结构。这些特点注定了其专有的应用领域，如具有更高换热效率的热交换器、轻量化的支架、蒙皮点阵结构等。这些零件采用3D打印制造相比传统工艺还减少了零件制造步骤、降低了成本并带来了更好的性能。

SLM制造高精度铝合金零件，散热器、拓扑优化构件、蒙皮点阵结构

采用该工艺制造的这些结构的零件几乎具有工艺排他性，即其他传统工艺或其他3D打印工艺均存在某些不足。但结构简单的零件则不需要使用这种工艺，成本是实现批量化制造的重要影响因素。因此，采用SLM/L-PBF工艺3D打印铝合金零件，多用于制造那些具有复杂结构且其他工艺难以实现的零件。

2. 电子束粉末床熔融

限于EBM技术本身的市场规模较小，关注度也受到了影响，但它是另一种可以打印铝合金的粉末床熔融技术。铝合金的电子束选区熔化 (EBM) 与激光熔化相比具有一些优势，如不受反射率的影响、零件表现出较少的热应力，对于易开裂的铝合金牌号打印具有较大优势。此外，真空条件还减少了材料氧化。因此，该工艺为铝合金的制造提供了巨大潜力。

3D打印技术参考通过清研智束了解到，采用EBM打印铝合金的塑性会远远好于SLM成型的，但强度会低一些，通过固溶和时效处理则可以改善。该技术打印铝合金还有一些不足在于零件的表面质量比较差，因此对于具有内流道及精密的零件可能并不适用，更合适制造传统加工难以制造的具有特殊复杂曲面的结构。此外，EBM技术的打印尺寸往往有限，结合其他因素，采用该技术制造铝合金零件的应用场景受到很大限制。

3. 粘结剂喷射3D打印

采用粘结剂喷射3D打印铝合金存在很大困难，这是因为其易氧化，且在后续的烧结过程中易发生反应，这是该工艺打印铝合金的一大挑战。实际上，铝合金也未广泛应用于MIM行业。不过，通过对整个生产流程和材料的优化，铝合金的粘结剂喷射3D打印取得了突破。

2021年，ExOne、Desktop Metal、理光均宣布实现了铝合金粘结剂喷射3D打印。在材料方面，Uniformity Labs开发了可进行高浓度烧结的低成本6061铝，Equispheres正在开发专为粘结剂喷射量身定制的AlSi10Mg粉末。在应用方面，则吸引了福特公司的参与。

理光使用粘结剂喷射3D打印的铝合金零件

铝合金粘结剂喷射3D打印工艺一旦成熟，市场应用潜力是巨大的，可用于电动汽车、电动飞机零部件3D打印制造，创造新的价值，但目前还未见到真实应用的报道。

4. 激光/电子束能量沉积工艺

激光能量沉积采用粉末或丝材实现金属材料的堆积成型，对于铝合金而言，由于其高导热、高反射、易氧化等因素，采用激光能量沉积制造实际上多有不便，但仍然有很多研究正在试图解决这些制造难题。

使用该技术进行铝合金沉积的较为知名的是工业级3D打印机生产商Optomec，其公司基于LENS定向能量沉积（DED）系统实现了铝合金修复。该公司表示，这项创新技术可用于沉积任何种类的铝合金材料，包括其专门为提高增材制造加工性能而开发的铝合金。

该工艺的发展为交通运输和航空航天工业提供了一种新的加工途径，即可以利用粉末冶金的DED工艺对复杂的铝合金零件进行修复。此外，使用Optomec的LENS同步五轴系统可以直接加工具有复杂几何形状的铝合金零件，而无需任何支撑结构。铝合金在极低的氧气浓度和湿度的可控工作箱中沉积，从而确保制造出具有优异机械性能的部件。除使用激光外，也可采用电子束实现铝合金熔丝增材制造。

5. 电弧增材制造

电弧增材制造以金属丝为原料、电弧作为热源，可进行大尺寸金属零件快速、高效制造。同时，基于该工艺的设备简单、材料利用率高、成本更低。目前，该工艺已成功用于制造Ti6Al4V、钢、In718等材料。特别的，它可以处理对激光高度反射的金属，如铝合金和铜合金，能够满足大尺寸铝合金部件的生产需求。我国航天领域对电弧增材制造铝合金大型构件的应用有多项报道。

但3D打印技术参考此前曾介绍过，由于电弧具有方向性，难以像激光那样实现精准聚焦，因此熔化轨迹不精细、层堆积导致表面非常粗糙。成形形貌的控制是金属零件增材制造技术的主要瓶颈，因此该技术的使用需要配合后处理机加工。

电弧增材制造的铝合金零件

由于相比于激光更为高效的材料沉积效率，电弧沉积已经成为如今制造大型铝合金构件的重要增材制造技术，受到国内外航空航天领域用户的广泛重视、开发和应用。

6. 搅拌摩擦增材制造

搅拌摩擦增材制造是基于搅拌摩擦焊的原理发展而来，该工艺不需要高能热源也不需要气体保护，可以使用板材、旋转棒料和粉末规格的材料，利用搅拌针与连接件的搅拌摩擦产生热量软化连接处的材料，再通过轴向的压力使得材料连接在一起。此外，由于成形过程中不存在金属的熔化/凝固过程，材料在成形过程中不会产生与熔化相关的热裂纹、气孔等冶金缺陷。而正是由于成形温度低且成形发生在材料内部也不会受外界影响造成材料氧化等问题，生产过程可以在露天环境中进行，所制造的部件的尺寸显著增加。

该工艺适合制造铝合金大型构件，且具有很高的沉积速率，特别适合于航空航天领域，可用于制造燃料贮罐。

Meld Manufacturing采用搅拌摩擦焊制造的铝合金大型零件

美国Meld Manufacturing公司已经使用该工艺在大型卡车和国防装甲车辆的维修中获得应用。

7. 冷喷涂

冷喷涂增材制造技术是一种基于高速粒子固态沉积的涂层制备方法。喷涂粒子在固态下碰撞基体，经过剧烈的塑性变形而沉积形成涂层，同时对基体不形成热影响，可作为近净成形技术直接喷涂制备块材和零部件。

冷喷涂是实现铝合金沉积的重要制造技术，能够用于大尺寸、高端应用领域的零件修复。

冷喷涂用于铝合金零件修复

于2022年科创板上市的超卓航科是该技术的重要代表性企业，攻克了高强铝合金高压冷喷涂增材制造技术，制备的铝合金涂层可逐层堆叠，材质更致密，涂层强度提升至400MPa的水平，满足了高端应用修复要求，实现了冷喷涂增材制造技术从零部件腐蚀损伤再制造向结构件疲劳裂纹修复再制造的跨越。

8. 超声波能量沉积

超声波增材制造（UAM）是基于传统的 “超声波焊接”工艺，利用高频振动波传递到两个需焊接的物体表面，在加压的情况下，使两个物体表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合。而当这种焊接方式被应用到3D打印机上时，也就成就了这项新的3D打印工艺——“超声波增材制造”。

超声波增材制造采用金属薄片为材料，能够实现真正冶金学意义上的熔合，并可以使用各种金属材料如铝、铜、不锈钢和钛等。UAM的制造过程包括通过超声波逐层连续焊接金属片，并不时通过机械加工来实现指定的3D形状，从而形成坚实的金属物体。通过结合增材和减材处理能力，UAM可以制造出深槽、中空、栅格状或蜂窝状的内部结构，以及其它复杂的几何形状，这些结构和形状通常无法使用传统减材制造工艺完成。此外，该技术的重要优势是能够制造多金属零件。

Fabrisonic采用UAM工艺3D打印的6061铝合金卫星热交换器

铝合金超声波增材制造技术还存在一些不足，由于目前超声波功率的限制，只能对厚度较小的铝箔进行快速成形，未来需要大幅提高超声波换能器的输出功率，实现大厚度和高强度金属板材的增材制造。

9.液态金属3D打印

液态金属3D打印解决方案通过将铝合金焊丝熔化，借助磁场精确的将液滴沉积在构建平台上并凝固，实现零件的叠层制造。这是一种基于熔融金属磁流体动力喷射的打印方法，通过利用磁场感应的压力梯度喷射液态金属液滴。根据3D打印技术参考查询到的资料，打印机控制器以预定的速率将金属丝送入陶瓷喷嘴，陶瓷喷嘴被电阻加热将铝丝熔化并在喷嘴中储存；喷嘴的周围围绕了电磁线圈，将电流脉冲施加到铜线圈上，可产生瞬态磁场，场感应与循环电流耦合，产生洛伦兹力，对熔融金属产生的压力可使液滴从喷嘴中喷出。

液态金属打印中的温度梯度和冷却速率并不像基于激光和电子束的3D打印工艺中那样极端。由于喷嘴和基板之间的间隔很小，液滴在撞击前有时间冷却。与后两种工艺相比，较小的温度梯度和冷却速率可能意味着遇到的缺陷更少，如孔隙率。然而，对于液态金属3D打印，仍然需要进行优化，以实现成本、分辨率和构建时间等因素的最佳组合。需要调整的参数包括温度、喷嘴尺寸、喷嘴与基板之间的距离。此外，还需要进行后处理来获得所需要的表面特征。构建的分辨率受液滴大小等因素的影响，影响液滴大小的因素又包括喷嘴的大小或直径、液滴喷射的速度以及单次射流是包含一个液滴还是多个液滴。

施乐液态金属3D打印的铝合金零件

2022年7月，施乐液态金属3D打印机被安装在美军黄蜂级两栖攻击舰第2号舰上——这是美国海军舰艇上部署的第一台金属增材制造装备。

END

本文总结了众多可用于铝合金3D打印的工艺类型特点及应用方向。总的来说，铝合金材料3D打印技术的类别较为明显——制造高精度小尺寸零件（以SLM为主）、低成本批量小尺寸零件（以Binder jetting为主）和快速高效制造大尺寸零件。通常，高效的沉积速率会对特征分辨率和复杂性产生不利影响，关键的配合表面、孔、法兰或关键特征，必须进行后处理加工，额外的后处理步骤会增加成本。

铝合金是仅次于钛和镍的第四大最受欢迎的合金，2021年出货量为249.7吨，与2020年相比增长了36.7%。到2030 年，它们将成为第三大最受欢迎的合金。如果粘结剂喷射技术被证明能够熟练地打印铝合金实现批量生产，那么铝需求的增长可能会更加显著。