一个新的德国研究项目正在努力克服为航空航天应用3D打印高强度铝合金的长期难题。阿拉夫（AlaAF）倡议在联邦教育、技术和空间部（BMFTR）的“宇宙和物质研究行动计划”（ErUM）下获得了117万欧元的支持，由慕尼黑工业大学（TUM）、埃尔朗根-纽伦堡大学（FAU）和Colibrium Additive共同参与。各方的目标是利用增材制造方法制造出既轻巧又具有机械韧性的铝制部件。

阿拉夫专注于激光粉末床熔化（LPBF），这是一种通过激光熔化金属粉末层来形成复杂部件的过程。尽管LPBF被广泛使用，但它无法可靠地处理航空航天结构所需的高强度铝合金，因为这些合金在冷却时容易开裂。为了解决这一问题，该项目在粉末中引入了化学添加剂。在打印过程中，这些添加剂会在亚微米范围内形成陶瓷颗粒，从而细化合金的晶体生长。这种细颗粒、均匀的微观结构减少了开裂现象，使得以前被认为不适合增材制造的合金能够用于工业生产。

慕尼黑工业大学的研究人员正在利用FRM II反应堆的中子方法来研究这些合金。“中子具有很高的穿透深度，因此非常适合用于分析工业中大型增材制造部件——其他技术无法完成的任务，”项目负责人拉尔夫·吉尔博士（Dr. Ralph Gilles）说，他同时也是联盟发言人。中子衍射能够精确测量内部应力和相分布，而中子射线照相和断层扫描则可以在不进行破坏性测试的情况下揭示样本深处的孔隙和裂缝。将这些方法与机械加载和温度变化相结合，可以提供合金在工作条件下的行为数据。

Colibrium Additive是一家工业3D打印技术供应商，正在提供LPBF系统和工艺开发。埃尔朗根-纽伦堡大学的研究人员正在使用显微镜技术分析打印合金，以评估其机械性能。在FRM II，实验在加兴进行，也在布拉格附近的Rez反应堆进行。参与的科学家包括埃尔朗根-纽伦堡大学的Seda Ulusoy、Massimo Fritton、Simon Sebold、Steffen Neumeier，以及拉尔夫·吉尔、Stefan Engel和Gergely Farkas。他们的联合工作涵盖了工艺优化、材料测试和先进的中子分析。

大学研究推动3D打印前沿

Reverb Industrial和亚利桑那州立大学之间的合作引入了一种名为共振辅助沉积（RAD）的过程，该过程使用高频振荡应变而不是熔化来连接铝线。实验在100到300瓦的功率水平下打印了6061型铝部件，相比之下，激光粉末床熔化通常需要10到20千瓦，这会消耗每公斤合金300到500兆焦耳的能量。显微镜显示，在铝-镍界面处的缺陷密度促进了宽度为80到140纳米的扩散区域，这一尺度通常需要超过320°C的温度。在沉积过程中的热测量记录了仅5到10°C的温度升高，证实了结合来自振荡应变而不是加热。由此产生的部件达到了原料材料99.95%的密度，拉伸测试显示其抗拉强度约为退火线的75%。

在伦敦帝国理工学院，与ToffeeX合作的研究人员为3D打印散热器开发了一个多尺度建模框架。与单尺度模拟相比，该方法将内存需求减少了高达90%，计算时间减少了70%，同时将流体动量和热传递的误差保持在10%以下。验证包括多达1600个单元格的域，使用127个处理器仅需90多分钟即可解决。使用贝叶斯算法的优化运行在均匀热通量下将热传递提高了75%，在代表处理器热点的局部条件下提高了558%。