铝制零件制造中的工业共生：通过结合摩擦搅拌挤压和熔融金属沉积技术，实现100%的材料利用率

《Sustainable Materials and Technologies》：Industrial symbiosis in aluminium parts manufacturing: Towards 100?% material efficiency by combining friction stir extrusion and molten metal deposition

铝屑通过摩擦搅拌挤出（FSE）转化为线材，再用于熔融金属沉积（MMD）工艺，实现工业共生模式下的高效回收。实验表明FSE线材硬度提升15%，且生命周期评估显示碳排放减少52%，每千克铝屑减少6千克等量CO?排放，验证了工业共生在铝回收中的环境与经济效益。

　　铝作为现代工业中广泛应用的材料，因其轻质、高强度和良好的可加工性而受到青睐。然而，铝材在减材制造过程中产生的切屑，如铝屑和铝屑边角料，通常被视为难以回收的材料流。这种材料的高表面积与体积比导致其氧化物浓度较高，从而降低了回收效率并造成显著的材料损失。因此，如何有效回收这些切屑，使其重新进入制造流程，成为当前研究的重点之一。

近年来，固态回收（Solid State Recycling, SSR）技术的发展为铝屑的回收提供了新的可能性。这些技术不依赖于熔融过程，而是通过物理加工手段将废料转化为可再利用的材料。SSR技术在铝屑回收中的应用，不仅能够减少能源消耗，还能降低对环境的影响。然而，SSR技术在工业上的推广仍面临诸多挑战，特别是对最终产品质量的严格要求。高强铝产品的制造过程中，任何材料杂质都可能影响其性能，因此，如何在不损害产品质量的前提下实现高效回收，成为技术发展的关键。

本研究探讨了一种创新的工业共生策略，即利用摩擦搅拌挤压（Friction Stir Extrusion, FSE）技术将铝屑直接转化为适合用于熔融金属沉积（Molten Metal Deposition, MMD）工艺的线材。FSE技术通过结合压实和挤压，将铝屑转化为线材。在FSE过程中，材料在摩擦产生的热量作用下经历严重的塑性变形，最终被挤出成形为固体棒材或线材。这种技术能够在不改变原有材料属性的情况下，将低质量的铝屑转化为可用的线材，为后续的MMD工艺提供高质量的原材料。

MMD技术是一种新型的金属增材制造方法，其原理类似于熔融沉积成型（Fused Filament Fabrication, FFF）。该技术使用线材作为原材料，通过在受限坩埚中连续供料，并结合喷嘴温度控制，实现对线材的精确沉积。MMD工艺的核心在于实现层间良好的结合，这依赖于前一层的局部熔融，由新沉积层的热能与基板温度共同作用完成。为了确保层间结合质量，需要优化一系列参数，包括基板温度、沉积温度、喷嘴与基板之间的距离以及层间时间。这些参数的合理设置不仅能够提高产品质量，还能减少能源消耗。

在本研究中，FSE线材被用作MMD工艺的原材料。尽管FSE线材的表面粗糙度和机械性能相较于传统拉拔线材有所下降，但其仍能满足MMD工艺的需求。实验数据显示，FSE线材的维氏硬度达到70?±?1 HV，且其极限屈服强度为253?±?17 MPa。这些性能虽然低于传统线材，但在MMD工艺中并未对最终产品质量产生负面影响。此外，FSE线材的使用能够显著降低环境影响，其生产过程的碳排放比传统回收方法减少了52%。每公斤铝屑的回收过程可减少约6公斤二氧化碳当量的排放。

从经济角度来看，铝屑的回收价值远低于其原始材料。例如，在欧洲，铝屑的市场价格仅为0.46 EUR/kg，而高质量的铝线材价格可达10 EUR/kg。这种价格差异为铝屑的回收提供了经济激励。同时，随着增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术的发展，对铝线材的需求也在迅速增长。据估计，2022年全球AM对铝线材的消耗量约为600吨，且市场正在以指数级的速度扩张。这种需求的增长为铝屑的回收提供了新的市场机会。

从技术角度来看，FSE线材的制造过程需要精确控制多个参数，包括模具角度、工具旋转速度、挤压力和挤压通道直径。这些参数的选择不仅影响线材的表面质量和尺寸精度，还决定了其是否能够在后续的MMD工艺中使用。通过优化这些参数，可以有效避免热裂纹和冷撕裂现象，提高线材的机械性能和表面质量。此外，FSE线材的制造过程相对简单，不需要复杂的熔融设备，因此在工业应用中具有较高的可行性。

从环境角度来看，FSE线材的回收过程能够显著降低碳排放。通过将铝屑直接转化为线材，避免了传统回收过程中因氧化物浓度高而导致的材料损失。这种材料损失的减少不仅提高了回收效率，还降低了对环境的负面影响。此外，FSE线材的使用能够减少对原始铝材料的需求，从而降低资源开采和加工过程中的环境负担。

从物流角度来看，铝屑的收集和运输需要一定的基础设施支持。然而，随着工业共生理念的推广，越来越多的企业开始重视材料的循环利用。通过建立高效的物流体系，可以确保铝屑的稳定供应，满足MMD工艺的需求。此外，工业共生模式还能够促进不同企业之间的合作，形成资源共享的生态系统，进一步提高资源利用效率。

综上所述，通过结合FSE和MMD技术，铝屑可以被有效回收并重新用于制造过程，实现100%的材料利用。这种工业共生模式不仅能够降低环境影响，还能提高经济价值，为铝材的可持续发展提供新的解决方案。未来，随着技术的不断进步和市场需求的增加，这种回收模式有望在更广泛的工业领域中得到应用，推动铝材制造向更加环保和高效的方向发展。