純銅及銅合金由于極好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐腐蝕性及韌性等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電力、散熱、管道、裝飾等領(lǐng)域，有的銅合金材料因具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性和較高強(qiáng)度，被廣泛應(yīng)用于制造電子、航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室部件。但是隨著應(yīng)用端對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的需求增多，傳統(tǒng)加工工藝已逐漸無法滿足全部需求。

金屬3D打印技術(shù)能夠制造復(fù)雜的功能集成零部件，這一優(yōu)勢在銅金屬制造領(lǐng)域也同樣能夠得到體現(xiàn)，比如說在銅電感線圈制造領(lǐng)域，金屬3D打印技術(shù)就可以用于替代傳統(tǒng)制造工藝，直接制造復(fù)雜電感線圈, 避免對于組裝的需求和因焊接帶來的不足。關(guān)于銅的3D打印技術(shù)呈現(xiàn)出越來越經(jīng)濟(jì)多樣的發(fā)展態(tài)勢，本期3D科學(xué)谷與谷友進(jìn)一步來了解Fraunhofer ILT激光研究所推出通過綠色激光熔化純銅的解決方案后，其兄弟研究所Fraunhofer IWS材料與束技術(shù)研究所在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜銅產(chǎn)品的3D打印方面的收獲。

首次3D打印帶有復(fù)雜設(shè)計(jì)的銅組件。來源：Fraunhofer IWS

開啟復(fù)雜銅零件的制造

位于德國德累斯頓的弗勞恩霍夫材料與束技術(shù)研究所Fraunhofer IWS通過短波綠色激光對金屬進(jìn)行幾乎無缺陷的處理，實(shí)現(xiàn)了以前純銅無法實(shí)現(xiàn)的新生產(chǎn)方法?？梢杂糜谥圃旌娇蘸教旌推嚬I(yè)的由純銅和銅合金制成的復(fù)雜部件，并且可以提高電動(dòng)機(jī)和熱交換器的效率。

3D打印-增材制造的銅組件特別適合于對熱交換和導(dǎo)電性能要求高的組件的制造。例如，可以制造出下一代電力電子設(shè)備中更高效、更緊湊的散熱器，以及用于衛(wèi)星中的電氣驅(qū)動(dòng)，空間推進(jìn)系統(tǒng)中的冷卻系統(tǒng)以及發(fā)動(dòng)機(jī)零部件。

帶有復(fù)雜設(shè)計(jì)的銅組件。Fraunhofer IWS

通過Fraunhofer IWS安裝的通快綠色激光系列TruPrint1000金屬3D打印設(shè)備，F(xiàn)raunhofer IWS能夠設(shè)計(jì)和制造出具有優(yōu)異導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率的純銅組件。這些組件可在電力電子設(shè)備中成就更高效的電動(dòng)機(jī)、新型的散熱器等零件。此外，還可以應(yīng)用于電感器線圈的生產(chǎn)中。

Fraunhofer IWS安裝的通快TruPrint1000。Fraunhofer IWS

TruPrint1000金屬3D打印系統(tǒng)不是使用波長為1064納米（百萬分之一毫米）的紅外光，而是使用了具有515納米波長的高能綠光的激光器。3D科學(xué)谷了解到，根據(jù)Fraunhofer IWS，先前的實(shí)驗(yàn)反復(fù)表明，功率高達(dá)500瓦的紅外激光束不足以完全熔化銅，所使用的能量中只有30％到達(dá)銅材料–其余的能量被金屬反射。而最大功率為500瓦的新型綠色激光器提供了獨(dú)辟蹊徑的解決方案：銅粉吸收了70％以上的能量并完全熔化，從而使其可用于增材制造。

純銅導(dǎo)熱和導(dǎo)電性特別好

今天，許多銅零件在通過鍛造或鑄造的制造工藝獲得加工。然而，3D打印-增材制造工藝開辟了生產(chǎn)高度復(fù)雜幾何形狀的新選擇，而這在常規(guī)制造工藝中根本不可能實(shí)現(xiàn)。

由于銅的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性非常好，因此，當(dāng)這種金屬可以在3D打印-增材制造系統(tǒng)中進(jìn)行處理，則將對目前和未來的銅產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造構(gòu)成重大改進(jìn)潛力。

純銅和銅合金制成的部件在航空航天，電子和汽車工業(yè)中，例如發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、電力驅(qū)動(dòng)組件或熱交換器中，起著重要作用。增材制造的銅零件由于具有更高的體積比和導(dǎo)電性而優(yōu)于許多鋁和其他合金的解決方案。

3D科學(xué)谷Review

關(guān)于銅的金屬3D打印，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，目前市場上最為流行的應(yīng)用包括：帶冷卻流道的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、銅感應(yīng)器線圈、銅熱交換器、電動(dòng)機(jī)定子繞組。

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室

市場上眾多的航天企業(yè)紛紛在火箭銅合金推力室方面獲得了突破，其中早先Aerojet Rocketdyne在火箭銅合金推力室3D打印領(lǐng)域取得的突破，為制造新一代RL10發(fā)動(dòng)機(jī)帶來了可能性。3D打印銅合金推力室部件將替代以前的RL10C-1推力室部件。被替代的推力室部件是由傳統(tǒng)工藝制造的，由多個(gè)不銹鋼零件焊接而成，而3D打印的銅合金推力室部件則由兩個(gè)銅合金零件構(gòu)成。

相比傳統(tǒng)的制造工藝，選區(qū)激光熔化3D打印技術(shù)為推力室的設(shè)計(jì)帶來了更高的自由度，使設(shè)計(jì)師可以嘗試具有更高熱傳導(dǎo)能力的先進(jìn)結(jié)構(gòu)。而增強(qiáng)的熱傳導(dǎo)能力使得火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)更加緊湊和輕量化，這正是火箭發(fā)射技術(shù)所需要的。

從事小型火箭制造與發(fā)射的航天初創(chuàng)企業(yè)Launcher 也測試了銅合金火箭發(fā)動(dòng)機(jī)部件。Launcher去年以來一直致力于開發(fā)概念驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)E-1 ，這是一種3D打印銅合金（Cucrzr）發(fā)動(dòng)機(jī)部件，集成了復(fù)雜冷卻通道，這一設(shè)計(jì)將使發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻效率得到提升。

Launcher開發(fā)的銅合金3D打印推力室。Launcher

NASA在2015年取得了銅合金部件3D打印方面獲得進(jìn)展，制造技術(shù)也是選區(qū)激光熔化3D打印，打印材料為GRCo-84銅合金。NASA用這項(xiàng)技術(shù)制造的3D打印零件為火箭燃燒室襯里，該部件總共被分為8,255層，進(jìn)行逐層打印，打印時(shí)間為10天零18個(gè)小時(shí)。

這個(gè)銅合金燃燒室零部件內(nèi)外壁之間具有200多個(gè)復(fù)雜的通道，制造這些微小的、具有復(fù)雜幾何形狀的內(nèi)部通道，即使對增材制造技術(shù)來說也是一大挑戰(zhàn)。部件打印完成后，NASA的研究人員使用電子束自由制造設(shè)備為其涂覆一層含鎳的超合金。NASA的最終目標(biāo)是要是要使火箭發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的制造速度大幅提升，同時(shí)至少降低50%的制造成本。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，國內(nèi)金屬3D打印企業(yè)鉑力特已在銅金屬激光成形領(lǐng)域取得了進(jìn)展，研制出針對難熔金屬和高導(dǎo)熱、高反射金屬的3D打印工藝，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜流道的銅材料制造工藝，成功制備出3D打印銅合金尾噴管。

銅感應(yīng)器線圈

一般來說，電感應(yīng)器中的電感線圈需要經(jīng)歷若干機(jī)械制造工序。線圈通過手動(dòng)彎曲和焊接達(dá)到想要的形狀，其中小塊銅（管）被放在一起并焊接，焊接是一個(gè)耗時(shí)的過程并且導(dǎo)致大量的生產(chǎn)成本產(chǎn)生。

幾何形狀越復(fù)雜的電感線圈，需要焊接的單個(gè)元件越多。當(dāng)為了獲得所需的幾何形狀而需要彼此相鄰的多個(gè)焊點(diǎn)時(shí)，必須使用幾種具有不同熔點(diǎn)的焊接劑，以便在施加第二焊料時(shí)第一焊料不會(huì)松動(dòng)。

手工制造的電感器的工作時(shí)間和質(zhì)量不能滿足行業(yè)不斷增長的需求。而通過金屬增材制造（AM），可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的零件，這些零件具有高度復(fù)雜的幾何形狀，從而滿足規(guī)模生產(chǎn)的需求。沒有焊接接頭的3D打印電感器需要更少的能量，具有更高的效率并且可以實(shí)現(xiàn)均勻的硬化結(jié)果。

此外，3D打印不僅推薦用于生產(chǎn)傳統(tǒng)上無法實(shí)現(xiàn)的精細(xì)幾何形狀。對于標(biāo)準(zhǔn)幾何形狀，3D打印也具有吸引力且有利可圖。用戶可以期望3D打印實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)焊接的電感器相同的制造成本，而3D打印可以消除傳統(tǒng)焊接線圈的所有缺點(diǎn)。例如，GKN粉末冶金工藝下生產(chǎn)的電感器零件的使用壽命是傳統(tǒng)制造工藝所生產(chǎn)的零件使用壽命的4倍。

銅熱交換器

粉末床熔化（PBF）增材制造技術(shù)為制造使得緊湊、高效的新一代熱交換器成為可能，如果將金屬3D打印技術(shù)與具有出色導(dǎo)熱性能的銅相結(jié)合，為電動(dòng)汽車熱交換器技術(shù)的提升帶來巨大的想象空間。隨著銅合金、純銅的增材制造變得更為成熟，也為制造高性能銅金屬熱交換器做了鋪墊。結(jié)合面向增材制造的設(shè)計(jì)，將加速新能源汽車等領(lǐng)域換熱器產(chǎn)品的創(chuàng)新。

銅散熱器。nTopology

電動(dòng)機(jī)定子繞組

在電動(dòng)汽車方面，銅的3D打印也具有一定的應(yīng)用潛力。電力驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的核心，也是區(qū)別于內(nèi)燃機(jī)汽車的最大不同點(diǎn)。電力驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、電源和電動(dòng)機(jī)控制裝置等組成。電動(dòng)汽車的其他裝置基本與內(nèi)燃機(jī)汽車相同。電力驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)由電控單元、控制器、電動(dòng)機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)裝置和驅(qū)動(dòng)車輪組成。主能源子系統(tǒng)由主能源、能量管理系統(tǒng)和充電系統(tǒng)構(gòu)成。輔助控制子系統(tǒng)具有動(dòng)力轉(zhuǎn)向、溫度控制和輔助動(dòng)力供給等功能。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，市場上，德國Additive Drives公司通過3D打印增材制造電動(dòng)機(jī)定子繞組，并有望顯著改善零件性能。

電動(dòng)機(jī)的最大輸出功率由于其預(yù)熱而受到限制，例如由于允許的繞組溫度而受到限制。通常有兩個(gè)提高功率限制的杠桿：首先，以相同的功率減少損耗，其次，改善散熱。繞組的設(shè)計(jì)在這里起主要作用，因?yàn)樗侵饕臒嵩础?/p>

經(jīng)典的圓線繞組有許多限制：銅導(dǎo)體，繞組工藝和槽口幾何形狀必須匹配。彼此纏繞的導(dǎo)體形成牢固的圖案。此外，圓形導(dǎo)線（經(jīng)典的導(dǎo)體形狀）在幾何形狀上與梯形凹槽的配合不佳。結(jié)果是，每個(gè)凹槽都被銅填充了一半，從而形成了空隙。相對較小的導(dǎo)體橫截面可確保較大的電熱損耗。

德國Additive Drives公司通過3D打印實(shí)現(xiàn)了更高的自由度，通過基于粉末床的SLM選區(qū)金屬3D打印工藝，使得凹槽中的銅含量更大。從物理上講，這意味著匝的最大橫截面和較小的電阻。而通過3D打印所實(shí)現(xiàn)的可變的形狀還有利于散熱，因?yàn)槊織l電線都與線圈的所謂疊片鐵芯熱接觸，因此沒有熱點(diǎn)。

3D科學(xué)谷在《銅金屬3D打印白皮書1.0》中，對銅合金、純銅增材制造中所應(yīng)用的3D打印技術(shù)，銅金屬3D打印存在的技術(shù)難點(diǎn)，銅金屬3D打印材料和工藝的發(fā)展情況，銅增材制造的應(yīng)用前景，典型專利，及其供應(yīng)鏈進(jìn)行了分析。