鋁和鋁合金被認為是增材制造發展到大批量生產應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，鋁具有出色的機械性能和低廉的價格。然而，增材制造鋁基零件的工業化應用仍有很長的一段路要走，這是因為鋁材3D打印面臨的幾個固有挑戰仍未得到有效解決。

△Equispheres的鋁合金粉末放大到100微米

與此同時，近幾個月來，鋁價、產量和供應的大幅波動一直困擾著供應鏈，尤其是在俄烏沖突導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商，俄羅斯最大的制造商 RUSAL 供應歐盟 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某些增材制造零件所需的材料量來為供應鏈彈性運轉提供解決方案。

鋁3D打印的材料和技術

鋁3D打印的一個早期挑戰是，幾乎所有用于增材制造的鋁合金最初都是為鑄造應用而開發的。事實上，迄今為止增材制造中最常用的鋁合金是AlSi10Mg，這是一種時效強化鋁合金，具有良好的硬度，強度和動態韌性，傳統上用作鑄造合金。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，低密度和高機械強度。

△常見的增材制造和相關技術的商用鋁合金材料，資料來源：3dpbm Research，****：代表開發中

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，大多數硬件公司和服務提供商是采取L-PBF技術來進行加工。例如，美國公司VELO3D使用其藍寶石系統開發了一種由鋁F3制成的357D打印零件的工藝。這為鑄造級鋁合金創造了新的機會，特別是對于航空航天和國防工業中的薄壁傳熱應用。鋁 F357 被認為是理想的材料，因為它能夠進行陽極氧化，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，新開發的鋁合金F357參數包AlSi7Mg0，6（A357的新型無鈹版本）與通過壓鑄生產的零件相比，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3D打印飛機部件的成本，以滿足航空航天工業的要求。

△A20X是專門為增材制造而開發的。現在，ALTANA集團旗下的ECKART在收購了原始材料開發商AMT后，在全球范圍內進行了商業化。

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（現在是Premium AEROTEC的一部分）開發和銷售的。在全球范圍內，具備Scalmalloy制造能力的服務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的，可以提供高達511 MPa的抗拉強度，高達440 MPa的屈服強度和高達13%的斷裂伸長率。A20X在收購原始材料開發商AMT后，由阿爾塔納集團旗下的ECKART在全球范圍內商業化。

△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系列鋁產品，其中包括鑄造合金和專為增材制造工藝開發的幾種合金，并針對可持續性和低能耗需求進行了優化。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250°C的應用;以及RS 507 AlMg和RS-553AlMgSc合金，它們是耐腐蝕的高強度材料，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鋁粉的商業前景是什么，畢竟該公司生產的鋁占全球鋁的6%。

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

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、高精細鋁粉產品（這是每種產品的品牌名稱及其預期用途）。該公司開發了完全均勻、完美的球形粉末，提高了增材制造中的工藝可靠性、生產速度和零件性能，瞄準了大批量、輕量化增材制造零件的機會。Equispheres還與TRUMPF，LockheedMartin，Aconity3D和Morf3D合作，以加速開發。

鋁材料的粘結劑噴射

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

這就引出了鋁粘結劑噴射的新話題。隨著金屬PBF工藝通過更大，更快和更自動化的系統變得越來越高效，鋁合金的采用和需求預計將顯著增長。然而，在增材制造中廣泛采用鋁的一個主要挑戰是，高通量粘結劑噴射是能夠實現大批量生產的制造工藝，而鋁的低成本又能夠將這一優勢充分放大。在材料開發方面，高通量粘結劑噴射所使用的材料最初多是從用于注射成型（MIM）工藝的金屬材料調整過來，但鋁及其合金的粘結劑噴射技術卻遲遲未得到發展。

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

與傳統MIM一樣，在粘結劑噴射中，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。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。鋁的燒結具有挑戰性，因為顆粒周圍的氧化層只能在極高的溫度下去除，而鋁的熔點相對較低，這限制了最高燒結溫度。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性的。

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

Desktop metal開發的新型鋁6061粉末能夠完成燒結，并且比以前鋁燒結的技術有了顯著改進，該技術需要涂覆粉末顆粒，將燒結助劑混合到粉末中，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火能量（MIE），從而提高了安全性。Desktop metal和Uniformity Labs正在努力驗證粉末和規模生產的商業可行性。一旦完全合格，Uniformity6061鋁將可用于桌面金屬生產系統平臺。

鋁作為粘結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略集中在這一特定領域。雖然其技術尚未上市，但它已經證明了生產復雜和相當大的零件的能力。

可用于動態固結的鋁材料

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，這是一種動力學固結（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致粉末結合在一起，形成具有優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技術中使用各種鋁合金目前是一個活躍的研究領域。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（由于其高強度和耐腐蝕性，這些合金特別受關注）。全球幾家基于線材的金屬DED公司也將鋁列為了關鍵材料。

AML3D是一家通過Arcemy系統銷售WAM（線材增材制造）技術的澳大利亞公司，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工藝的特點是直接能量沉積的3D打印標準，與其他送絲金屬打印技術（如電子束，線材饋送激光和激光燒結工藝）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

MX3D 是荷蘭 WAAM 技術的領導者，以多種備受矚目的應用而聞名，該公司對其WAAM技術兼容的各種鋁材料進行了認證（可通過生產服務和 M1 硬件系統獲得）。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，最近憑借先進且高度自動化的roboWAAM系統進入市場，還提供鋁質線材（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置了特定于材料的主要工藝參數，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（等離子轉移弧）工藝的“3級”材料提供，這意味著用戶必須為自己的研發選擇工藝參數。

△MX3D團隊慶祝 M1 系統于 2021 年推出，該系統已在汽車和海事領域得到采用。

Meltio是一家快速增長的公司，銷售高速，低成本，主要開發基于金屬線的增材制造系統，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項目，該項目基于液態金屬打印方法，并將鋁作為該技術應用和增長戰略的主要材料。

在美國，MELD是一家專注于國防應用的成長型初創公司，它開發了一種固態工藝（意味著材料在此過程中不會達到熔化溫度），以生產具有低殘余應力和全密度的高質量材料和零件，并且比傳統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的第一臺商用機器B8使用實心金屬棒，但也可以組合不同的粉末來制造金屬基復合材料（MMC），如Al-SiC，Al-Fe，Al-W，Al-Mo。

△來自英國WAAM3D的新roboWAAM系統

在材料供應商中，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技術中的生產仍然經常受到孔隙率和凝固裂紋等缺陷的限制，這些缺陷會嚴重限制組件的機械性能，例如組件強度或延展性。最近，一家名為Fortium metals的初創公司以Elementum 3D的經驗為基礎進入市場，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打印鋁質部件的應用

隨著金屬開發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打印行業將持續取得增長。今天，盡管鋁增材制造的應用潛力在很大程度上仍未開發，但它在某些領域正在取得進展。

Scalmalloy是專門為航空航天應用開發的，并具有滿足苛刻應用環境的特性。鋁鎂鈧粉末合金具有較高的強度重量比，良好的延展性和耐腐蝕性。與拓撲優化結合使用，該材料可以提供輕量化、高性能的飛機部件。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。

在汽車和賽車運動領域，鋁合金3D打印技術正在得到應用。一個值得注意的例子是BMW i8 Roadster上的車窗導軌。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。它的重要性已經得到了ALTAIR Enlighten獎的認可。另一個關鍵應用是梅賽德斯奔馳3D打印2017年卡車部門的首批備件之一。另一項關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項目，其主要目標是推進工業3D打印過程的自動化，特別關注工業3D打印用鋁材的資格認定。該項目于2019年結束，因為兩家公司表示他們已經獲得了重要的見解。

賽車運動是增材制造的另一個高增長領域，鋁質部件可以發揮作用。2020 年，一級方程式賽車批準在 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公司 Masten Space Systems 用于生產 3D 打印電子泵。

△Czinger21超級跑車由Divergent與SLM Solutions合作開發，每輛車上都有多達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域仍然是鋁3D打印技術最容易得到應用的領域，特別是L-PBF技術。最值得注意的是Divergent和SLM Solutions在Czinger21超級跑車上的持續合作，每輛車上有多達350個3D打印部件，其中大部分是用鋁合金制成的。

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

鋁合金在工業領域也有無數的應用，包括熱交換器和散熱器的生產。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打印機和EOS的AlSi3Mg材料制造的10D打印熱交換器。現在獲得專利的熱交換器在一系列行業中具有各種應用，包括航空航天，汽車，石油和天然氣，化學加工和微處理器冷卻。

△MELDManufacturing首席執行官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用（主要通過WAAM技術）包括鋁龍骨項目，這是KM Yachtbuilders和MX3D之間正在開展的合作項目的一部分，旨在為海事行業研究和3D打印鋁制零件。鋁制3D打印龍骨是使用該公司的機器人WAAM（線弧增材制造）工藝生產的。最近的另一個項目是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制造公司生產的。這家美國公司使用其獨特的摩擦固結3D打印工藝，通過使用現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務

通過審核當今市場上的每一種增材制造產品，3dpbm Research根據每個主要材料系列的出貨量記錄，對金屬增材制造市場進行了最準確的概述。這為最近發布的金屬增材制造市場趨勢和機遇報告中特定材料系列的10年預測提供了基礎。

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開發的新一代鋁合金A20X開始進入市場。

在增材制造中采用鋁的主要障礙是使材料適應結合金屬工藝。粘結劑噴射（BMP）工藝將成為增材制造鋁合金的最大消費者，因為這些技術的目標是實現具有成本效益的大批量生產。但是BMP工藝仍需要在熔爐中燒結生坯部件的步驟，這仍然是一個挑戰，現在才開始得到解決。

就金屬增材制造材料需求預測而言，最明顯的變化是鋁合金應用的快速增長。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。如果粘結劑噴射技術證明能夠熟練地加工鋁以進行批量生產，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 年第四大材料領域，僅產生 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模。雖然增長將是顯著的，但由于通過 3D 打印生產零件所需的數量很少，而且通常通過增材制造生產的零件數量很少，無論是原型和工具（通常是一次性的）還是小批量生產零件。

考慮到這一點，從各種潛在的應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飛速增長。在目前成熟的金屬增材制造材料中，預計鋁合金的復合年增長率最高，達到 33.3%，其次是鈦、鋼、鎳和鈷合金。這將使鋁及其合金在預測期結束時成為第三大最相關的收入機會，到 2030 年將產生 3.21 億美元的年銷售額（增長超過 1700%）。