導(dǎo)語：隨著汽車行業(yè)對性能和環(huán)保要求的不斷提升，輕量化設(shè)計已成為關(guān)鍵技術(shù)之一。3D打印技術(shù)，特別是多材料金屬3D打印，為實現(xiàn)這一目標(biāo)提供了全新的解決方案。

2025年1月3日，據(jù)資源庫了解：日本東北大學(xué)材料科學(xué)研究所與新產(chǎn)業(yè)創(chuàng)生孵化中心的研究團隊通過多材料金屬PBF（激光粉末床熔化）技術(shù)取得了重大突破，成功開發(fā)出鋁鋼復(fù)合材料的3D打印工藝，為多金屬材料在3D打印車架中的應(yīng)用開辟了新的可能。

多材料金屬PBF技術(shù)的創(chuàng)新突破

金屬3D打印，特別是激光粉末床熔化（L-PBF）技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于高精度、高復(fù)雜度零部件的制造。與傳統(tǒng)的制造工藝相比，L-PBF能通過逐層熔化金屬粉末，精準(zhǔn)地控制零部件的幾何形狀，并通過優(yōu)化材料分配來提高零部件的性能。在這項技術(shù)中，材料的選擇和結(jié)構(gòu)的設(shè)計尤為關(guān)鍵，而多材料打印更是能夠突破單一材料的局限，實現(xiàn)功能性和性能的最大化。

使用L-PBF在不同掃描速度下獲得的鋼/鋁合金界面

東北大學(xué)的研究團隊通過這一技術(shù)，成功實現(xiàn)了鋁與鋼等不同材料的結(jié)合，解決了金屬間的界面問題。傳統(tǒng)上，鋁與鋼由于兩者的熱膨脹系數(shù)和物理性質(zhì)差異，容易在連接處形成脆性金屬間化合物，從而影響結(jié)構(gòu)強度。

為了解決這一問題，研究團隊采用了一種稱為激光粉末床熔化（L-PBF）的工藝，這是金屬3D打印領(lǐng)域的領(lǐng)先技術(shù)之一。該方法使用激光逐層選擇性地熔化金屬粉末，通過實驗，團隊發(fā)現(xiàn)，通過提高激光掃描速度，可以顯著抑制如Al5Fe2和Al13Fe4等脆性化合物的形成。

使用L-PBF在不同掃描速度下獲得的鋼/鋁合金多材料界面強度

研究人員進一步確定，這種較高的掃描速度會引發(fā)一種叫做非平衡凝固的現(xiàn)象，從而減少溶質(zhì)分配并防止在材料中形成弱點。最終，這種鋼鋁合金展現(xiàn)出強大的結(jié)合界面，成功實現(xiàn)了輕量化與耐用性并存。

鋁鋼復(fù)合材料的輕量化優(yōu)勢

鋁和鋼各有其獨特的優(yōu)勢。鋁是一種輕質(zhì)金屬，廣泛用于汽車制造中，以其良好的強度重量比、優(yōu)異的抗腐蝕性和易于加工的特性，成為汽車輕量化的理想選擇。然而，鋁的強度相對較低，無法滿足一些結(jié)構(gòu)承載需求。相比之下，鋼的強度更高，適用于承受更大壓力的部件，但其密度較大，增加了汽車的重量。

通過多材料PBF技術(shù)，鋁和鋼的優(yōu)勢得以互補。在汽車零部件的制造過程中，研究團隊將鋁和鋼根據(jù)功能需求精確結(jié)合：鋁材料用于車身和車架的輕量化部位，而鋼則用于要求更高強度的部位。此舉不僅大幅減輕了整車重量，還保證了車架和車身的安全性和耐久性。特別是在碰撞防護設(shè)計中，鋼材的高強度保證了車輛的結(jié)構(gòu)完整性，而鋁的輕量化特性則有助于降低車輛總重，提高燃油效率。

具體應(yīng)用：輕量化與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

利用多材料3D打印技術(shù)，鋁與鋼的結(jié)合不僅可以使車架實現(xiàn)輕量化，還可以根據(jù)不同區(qū)域的需求進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。例如，在車架的非承載部件中，使用鋁材料可以有效減輕重量，而在承載或受力較大的部位，則可以采用鋼材來保證足夠的強度。通過3D打印，制造商可以根據(jù)每個零部件的具體需求，精準(zhǔn)地選擇材料組合，從而進一步提升整體結(jié)構(gòu)的性能。

利用鋁合金打印的輕量化摩托車架

此外，3D打印技術(shù)的精確控制能力使得車架零部件的幾何形狀可以高度定制，避免了傳統(tǒng)制造方法中常見的模具限制，能夠制造出更加復(fù)雜和優(yōu)化的結(jié)構(gòu)。通過優(yōu)化車架的設(shè)計，減少不必要的材料使用，從而實現(xiàn)更高的能源效率，降低整車的碳排放。

技術(shù)突破的實際應(yīng)用：全尺度汽車懸掛塔的3D打印

通過這種技術(shù)，研究團隊成功制造出了世界首個全尺度汽車懸掛塔原型，這一組件采用定制幾何設(shè)計，充分體現(xiàn)了鋁鋼復(fù)合材料在實際汽車零部件中的應(yīng)用潛力。懸掛塔作為汽車結(jié)構(gòu)的重要部件，要求具有足夠的強度和韌性來應(yīng)對道路上的各種沖擊和應(yīng)力。

研究團隊做出的第一個多材料3D打印的全尺寸汽車懸架塔的原型

通過3D打印技術(shù)，研究人員能夠根據(jù)實際需要調(diào)整鋁和鋼的比例，精準(zhǔn)控制其性能，最終制造出了既輕便又強度足夠的懸掛塔。

技術(shù)挑戰(zhàn)與未來前景

盡管這一技術(shù)取得了巨大進展，通過提高激光掃描速度，研究團隊成功抑制了銜接面脆性的問題，但在更大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)中，如何進一步優(yōu)化這一過程，確保材料的完美結(jié)合，仍是未來需要解決的關(guān)鍵課題。

未來，研究人員的目標(biāo)是將他們的方法應(yīng)用于面臨類似粘合挑戰(zhàn)的其他金屬組合，從而有可能在各個行業(yè)中開辟更廣泛的應(yīng)用。這不僅為汽車行業(yè)提供了更為高效的生產(chǎn)模式，也可能推動其他領(lǐng)域（如航空、航天、機械制造等）向多材料設(shè)計和生產(chǎn)方向發(fā)展。

導(dǎo)語：隨著汽車行業(yè)對性能和環(huán)保要求的不斷提升，輕量化設(shè)計已成為關(guān)鍵技術(shù)之一。3D打印技術(shù)，特別是多材料金屬3D打印，為實現(xiàn)這一目標(biāo)提供了全新的解決方案。

2025年1月3日，據(jù)資源庫了解：日本東北大學(xué)材料科學(xué)研究所與新產(chǎn)業(yè)創(chuàng)生孵化中心的研究團隊通過多材料金屬PBF（激光粉末床熔化）技術(shù)取得了重大突破，成功開發(fā)出鋁鋼復(fù)合材料的3D打印工藝，為多金屬材料在3D打印車架中的應(yīng)用開辟了新的可能。

多材料金屬PBF技術(shù)的創(chuàng)新突破

金屬3D打印，特別是激光粉末床熔化（L-PBF）技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于高精度、高復(fù)雜度零部件的制造。與傳統(tǒng)的制造工藝相比，L-PBF能通過逐層熔化金屬粉末，精準(zhǔn)地控制零部件的幾何形狀，并通過優(yōu)化材料分配來提高零部件的性能。在這項技術(shù)中，材料的選擇和結(jié)構(gòu)的設(shè)計尤為關(guān)鍵，而多材料打印更是能夠突破單一材料的局限，實現(xiàn)功能性和性能的最大化。

使用L-PBF在不同掃描速度下獲得的鋼/鋁合金界面

東北大學(xué)的研究團隊通過這一技術(shù)，成功實現(xiàn)了鋁與鋼等不同材料的結(jié)合，解決了金屬間的界面問題。傳統(tǒng)上，鋁與鋼由于兩者的熱膨脹系數(shù)和物理性質(zhì)差異，容易在連接處形成脆性金屬間化合物，從而影響結(jié)構(gòu)強度。

為了解決這一問題，研究團隊采用了一種稱為激光粉末床熔化（L-PBF）的工藝，這是金屬3D打印領(lǐng)域的領(lǐng)先技術(shù)之一。該方法使用激光逐層選擇性地熔化金屬粉末，通過實驗，團隊發(fā)現(xiàn)，通過提高激光掃描速度，可以顯著抑制如Al5Fe2和Al13Fe4等脆性化合物的形成。

使用L-PBF在不同掃描速度下獲得的鋼/鋁合金多材料界面強度

研究人員進一步確定，這種較高的掃描速度會引發(fā)一種叫做非平衡凝固的現(xiàn)象，從而減少溶質(zhì)分配并防止在材料中形成弱點。最終，這種鋼鋁合金展現(xiàn)出強大的結(jié)合界面，成功實現(xiàn)了輕量化與耐用性并存。

鋁鋼復(fù)合材料的輕量化優(yōu)勢

鋁和鋼各有其獨特的優(yōu)勢。鋁是一種輕質(zhì)金屬，廣泛用于汽車制造中，以其良好的強度重量比、優(yōu)異的抗腐蝕性和易于加工的特性，成為汽車輕量化的理想選擇。然而，鋁的強度相對較低，無法滿足一些結(jié)構(gòu)承載需求。相比之下，鋼的強度更高，適用于承受更大壓力的部件，但其密度較大，增加了汽車的重量。

通過多材料PBF技術(shù)，鋁和鋼的優(yōu)勢得以互補。在汽車零部件的制造過程中，研究團隊將鋁和鋼根據(jù)功能需求精確結(jié)合：鋁材料用于車身和車架的輕量化部位，而鋼則用于要求更高強度的部位。此舉不僅大幅減輕了整車重量，還保證了車架和車身的安全性和耐久性。特別是在碰撞防護設(shè)計中，鋼材的高強度保證了車輛的結(jié)構(gòu)完整性，而鋁的輕量化特性則有助于降低車輛總重，提高燃油效率。

具體應(yīng)用：輕量化與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

利用多材料3D打印技術(shù)，鋁與鋼的結(jié)合不僅可以使車架實現(xiàn)輕量化，還可以根據(jù)不同區(qū)域的需求進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。例如，在車架的非承載部件中，使用鋁材料可以有效減輕重量，而在承載或受力較大的部位，則可以采用鋼材來保證足夠的強度。通過3D打印，制造商可以根據(jù)每個零部件的具體需求，精準(zhǔn)地選擇材料組合，從而進一步提升整體結(jié)構(gòu)的性能。

利用鋁合金打印的輕量化摩托車架

此外，3D打印技術(shù)的精確控制能力使得車架零部件的幾何形狀可以高度定制，避免了傳統(tǒng)制造方法中常見的模具限制，能夠制造出更加復(fù)雜和優(yōu)化的結(jié)構(gòu)。通過優(yōu)化車架的設(shè)計，減少不必要的材料使用，從而實現(xiàn)更高的能源效率，降低整車的碳排放。

技術(shù)突破的實際應(yīng)用：全尺度汽車懸掛塔的3D打印

通過這種技術(shù)，研究團隊成功制造出了世界首個全尺度汽車懸掛塔原型，這一組件采用定制幾何設(shè)計，充分體現(xiàn)了鋁鋼復(fù)合材料在實際汽車零部件中的應(yīng)用潛力。懸掛塔作為汽車結(jié)構(gòu)的重要部件，要求具有足夠的強度和韌性來應(yīng)對道路上的各種沖擊和應(yīng)力。

研究團隊做出的第一個多材料3D打印的全尺寸汽車懸架塔的原型

通過3D打印技術(shù)，研究人員能夠根據(jù)實際需要調(diào)整鋁和鋼的比例，精準(zhǔn)控制其性能，最終制造出了既輕便又強度足夠的懸掛塔。

技術(shù)挑戰(zhàn)與未來前景

盡管這一技術(shù)取得了巨大進展，通過提高激光掃描速度，研究團隊成功抑制了銜接面脆性的問題，但在更大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)中，如何進一步優(yōu)化這一過程，確保材料的完美結(jié)合，仍是未來需要解決的關(guān)鍵課題。

未來，研究人員的目標(biāo)是將他們的方法應(yīng)用于面臨類似粘合挑戰(zhàn)的其他金屬組合，從而有可能在各個行業(yè)中開辟更廣泛的應(yīng)用。這不僅為汽車行業(yè)提供了更為高效的生產(chǎn)模式，也可能推動其他領(lǐng)域（如航空、航天、機械制造等）向多材料設(shè)計和生產(chǎn)方向發(fā)展。