初識(shí)高導(dǎo)電率銅

高導(dǎo)電率銅合金在軍工、航空航天、艦船制造、高鐵、地鐵、電動(dòng)汽車、通訊設(shè)備等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但我國(guó)每年需要的高導(dǎo)電銅合金50%依靠進(jìn)口。該材料在航空航天、艦船等應(yīng)用，由于導(dǎo)電性能更優(yōu)秀，所需材料少，可減輕航空器和艦船等本體重量，節(jié)材降耗，還能再多裝載其他設(shè)備等；用于互聯(lián)網(wǎng)、通訊設(shè)備等，信息傳遞速度更快；應(yīng)用于電動(dòng)汽車電池，比現(xiàn)在的電池一次充電能多跑10—20公里等；用于海底電纜，由于安全和耐腐耐用，使用年限更長(zhǎng)，節(jié)省了電纜更換的巨額費(fèi)用等。

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銅金屬3D打印技術(shù)主要被應(yīng)用在航空、國(guó)防領(lǐng)域，美國(guó)Aerojet Rocketdyne研發(fā)的RL10液氫燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中就使用了3D打印的銅合金推力室部件。美國(guó)航天局NASA 在銅質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)襯3D打印方面也取得了突破，打印材料為GRCo-84銅合金。

銅以其延展性而聞名，是金屬3D打印機(jī)看似理想的打印材料。此外，金屬表現(xiàn)出僅次于銀的導(dǎo)熱率水平，并且高導(dǎo)電性使其適用于工業(yè)應(yīng)用。

但銅合金的激光3D打印卻不是一件容易的事情，我們所周知的原因如下：

1）銅合金和金銀一樣，導(dǎo)熱性能良好、比熱容小、浸濕性能差、表面有堅(jiān)硬的氧化膜，對(duì)光斑的反射率較大，這就使得激光產(chǎn)生的熱量在其表面不易停留，直接熔覆功能涂層難以實(shí)現(xiàn)；做激光的太容易理解這一點(diǎn)了，銅合金反射鏡就是在激光中的典型應(yīng)用。

2）銅合金基體與涂層的材料體系之間的性能差別很大，使用過程中的界面失效問題要得到一定的重視，在中間要有相應(yīng)的過渡層連接；銅合金、金銀的延展性好，大家也是太熟悉不過了，

3）涂層內(nèi)韌性不足，熱裂和應(yīng)力等缺陷存在于涂層內(nèi)部。

由于銅的導(dǎo)熱性和反射性極佳，這使得銅金屬在3D打印機(jī)內(nèi)部難以操作。 但是銅金屬在激光熔化的過程中，吸收率低，激光難以持續(xù)熔化銅金屬粉末，從而導(dǎo)致成形效率低，冶金質(zhì)量難以控制等問題。此外，銅的高延展性給去除多余粉末這樣的后處理工作增加了難度。

“根據(jù)表面性質(zhì)，”弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（Fraunhofer ILT）快速制造小組研究員Daniel Heussen解釋說，“純銅會(huì)反射高達(dá)90％的激光輻射。”

“根據(jù)表面性質(zhì)的不同，”Fraunhofer ILT快速制造集團(tuán)研究員Daniel Heussen解釋說，“純銅在常規(guī)使用的1μm激光波長(zhǎng)中反射高達(dá)90％的激光輻射能量。”

為了解決銅對(duì)激光的高反射問題，Heussen和他的同事們正在推出“SLM綠色”項(xiàng)目，旨在改變3D打印機(jī)在銅粉末床上加工所遇到的挑戰(zhàn)。

ILT Heussen和同事們正在開展“綠色SLM”項(xiàng)目，尋求改變3D打印機(jī)從銅粉末床上制造物體的方式

形狀記憶合金的實(shí)際應(yīng)用：

(a) Hydraulic tube-couplings,

(b) Electric circuit breaker, 

(c) thermal actuator, 

(d) Simon filter, 

(e) eye glass frame, 

(f) spacer and 

(g) robotic arm （印度AshishAgrawal等人）

 

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的Yue Zhang等人進(jìn)行了Cu50Zr50的SLM研究， 如下圖顯示了在掃描時(shí)溫度的分布變化。

SLM加工過程中溫度的分布變化，其中紅色的區(qū)域和箭頭是激光所在的區(qū)域

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的Yue Zhang等人）

進(jìn)行Cu50Zr50  合金SLM研究時(shí)結(jié)構(gòu)的演變：  (a) 俯視圖和截面圖； (b) 詳細(xì)的區(qū)域放大圖 （中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的Yue Zhang等人）

 

另外據(jù)報(bào)道，日本6大工業(yè)機(jī)器人開發(fā)商之一的Daihen公司和日本國(guó)家技術(shù)研究所（大阪府）最近似乎已經(jīng)聯(lián)合找到了解決之道 — 通過使用銅合金粉末和傳統(tǒng)的M2金屬3D打印機(jī)，他們開發(fā)出了一種叫做3D層壓成型的新方法。而據(jù)江蘇激光聯(lián)盟秘書處了解，這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)就是既能實(shí)現(xiàn)銅的3D成型，又能很大程度上保證其不會(huì)失去原有屬性（主要是導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性）。事實(shí)上根據(jù)研究者的說法，如果重點(diǎn)關(guān)注導(dǎo)電性，這種方法最高可實(shí)現(xiàn)打印件90%的純銅率，并且還能將銅的抗拉伸性能“植入”到打印件當(dāng)中！不過除此之外，這種技術(shù)也有其它優(yōu)點(diǎn)，比如在制造單獨(dú)部件上能顯著縮短時(shí)間，從而提高效率，降低成本 ?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，這種新技術(shù)有望在航空航天，汽車和醫(yī)療等許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。而事實(shí)上，其開發(fā)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)利用它取得了一些成果，比如3D打印出了以往很難通過3D打印制造出的疊層激光器，以及成功改造了大電流水冷柜，令其冷卻性能明顯提高，尺寸和重量卻明顯下降。

SLM激光通常在光的紅外光譜范圍內(nèi)運(yùn)行，而這造成了銅的低吸收率，光的能量也不能有效地熔化金屬。使用綠色激光，需要的激光功率輸出更少。此外，激光束可以更精確地聚焦，從而制造出更精細(xì)的部件。   

Heussen補(bǔ)充說：“我們希望有一個(gè)更均勻的熔池動(dòng)力學(xué)，這樣我們就可以制造高材料密度的組件，以及獲得其他積極效果，如更高的細(xì)節(jié)分辨率。”這個(gè)項(xiàng)目預(yù)計(jì)將在2019年年中完成，獲得了德國(guó)聯(lián)邦工業(yè)研究協(xié)會(huì)（AiF）的資助。