Fraunhofer IWS通過綠色雷射熔化純銅實現複雜產品的3D列印

純銅及銅合金由於極好的導電、導熱、耐腐蝕性及韌性等特點，被廣泛應用於電力、散熱、管道、裝飾等領域，有的銅合金材料因具有良好的導電、導熱性和較高強度，被廣泛應用於製造電子、航空、航天發動機燃燒室部件。但是隨著應用端對於複雜結構零部件的需求增多，傳統加工工藝已逐漸無法滿足全部需求。

金屬3D列印技術能夠製造複雜的功能集成零部件，這一優勢在銅金屬製造領域也同樣能夠得到體現，比如說在銅電感線圈製造領域，金屬3D列印技術就可以用於替代傳統製造工藝，直接製造複雜電感線圈, 避免對於組裝的需求和因焊接帶來的不足。關於銅的3D列印技術呈現出越來越經濟多樣的發展態勢，本期3D科學谷與谷友進一步來了解Fraunhofer ILT雷射研究所推出通過綠色雷射熔化純銅的解決方案後，其兄弟研究所Fraunhofer IWS材料與束技術研究所在實現複雜銅產品的3D列印方面的收穫。

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首次3D列印帶有複雜設計的銅組件

來源：Fraunhofer IWS

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開啟複雜銅零件的製造

位於德國德勒斯登的弗勞恩霍夫材料與束技術研究所Fraunhofer IWS通過短波綠色雷射對金屬進行幾乎無缺陷的處理，實現了以前純銅無法實現的新生產方法。可以用於製造航空航天和汽車工業的由純銅和銅合金製成的複雜部件，並且可以提高電動機和熱交換器的效率。

3D列印-增材製造的銅組件特別適合於對熱交換和導電性能要求高的組件的製造。例如，可以製造出下一代電力電子設備中更高效、更緊湊的散熱器，以及用於衛星中的電氣驅動，空間推進系統中的冷卻系統以及發動機零部件。

▲帶有複雜設計的銅組件

Fraunhofer IWS

通過Fraunhofer IWS安裝的通快綠色雷射系列TruPrint1000金屬3D列印設備，Fraunhofer IWS能夠設計和製造出具有優異導電率和導熱率的純銅組件。這些組件可在電力電子設備中成就更高效的電動機、新型的散熱器等零件。此外，還可以應用於電感器線圈的生產中。

▲Fraunhofer IWS安裝的通快TruPrint1000

Fraunhofer IWS

TruPrint1000金屬3D列印系統不是使用波長為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雷射器。3D科學谷了解到，根據Fraunhofer IWS，先前的實驗反覆表明，功率高達500瓦的紅外雷射束不足以完全熔化銅，所使用的能量中只有30％到達銅材料–其餘的能量被金屬反射。而最大功率為500瓦的新型綠色雷射器提供了獨闢蹊徑的解決方案：銅粉吸收了70％以上的能量並完全熔化，從而使其可用於增材製造。

/純銅導熱和導電性特別好

今天，許多銅零件在通過鍛造或鑄造的製造工藝獲得加工。然而，3D列印-增材製造工藝開闢了生產高度複雜幾何形狀的新選擇，而這在常規製造工藝中根本不可能實現。

由於銅的導熱性和導電性非常好，因此，當這種金屬可以在3D列印-增材製造系統中進行處理，則將對目前和未來的銅產品的設計與製造構成重大改進潛力。

純銅和銅合金製成的部件在航空航天，電子和汽車工業中，例如發動機燃燒室、電力驅動組件或熱交換器中，起著重要作用。增材製造的銅零件由於具有更高的體積比和導電性而優於許多鋁和其他合金的解決方案。

3D科學谷Review

關於銅的金屬3D列印，根據3D科學谷的市場觀察，目前市場上最為流行的應用包括：帶冷卻流道的發動機燃燒室、銅感應器線圈、銅熱交換器、電動機定子繞組。

/發動機燃燒室

市場上眾多的航天企業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列印領域取得的突破，為製造新一代RL10發動機帶來了可能性。3D列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工藝製造的，由多個不鏽鋼零件焊接而成，而3D列印的銅合金推力室部件則由兩個銅合金零件構成。

相比傳統的製造工藝，選區雷射熔化3D列印技術為推力室的設計帶來了更高的自由度，使設計師可以嘗試具有更高熱傳導能力的先進結構。而增強的熱傳導能力使得火箭發動機的設計更加緊湊和輕量化，這正是火箭發射技術所需要的。

從事小型火箭製造與發射的航天初創企業Launcher 也測試了銅合金火箭發動機部件。Launcher去年以來一直致力於開發概念驗證發動機E-1 ，這是一種3D列印銅合金（Cucrzr）發動機部件，集成了複雜冷卻通道，這一設計將使發動機冷卻效率得到提升。

▲Launcher開發的銅合金3D列印推力室

Launcher

NASA在2015年取得了銅合金部件3D列印方面獲得進展，製造技術也是選區雷射熔化3D列印，列印材料為GRCo-84銅合金。NASA用這項技術製造的3D列印零件為火箭燃燒室襯裡，該部件總共被分為8,255層，進行逐層列印，列印時間為10天零18個小時。

這個銅合金燃燒室零部件內外壁之間具有200多個複雜的通道，製造這些微小的、具有複雜幾何形狀的內部通道，即使對增材製造技術來說也是一大挑戰。部件列印完成後，NASA的研究人員使用電子束自由製造設備為其塗覆一層含鎳的超合金。NASA的最終目標是要是要使火箭發動機零部件的製造速度大幅提升，同時至少降低50%的製造成本。

根據3D科學谷的市場觀察，國內金屬3D列印企業鉑力特已在銅金屬雷射成形領域取得了進展，研製出針對難熔金屬和高導熱、高反射金屬的3D列印工藝，實現了複雜流道的銅材料製造工藝，成功製備出3D列印銅合金尾噴管。

更深入的市場透視，請參考《3D列印助力動力裝備發展報告》，《一文洞悉商業航天火箭領域的3D列印進展》

/銅感應器線圈

一般來說，電感應器中的電感線圈需要經歷若干機械製造工序。線圈通過手動彎曲和焊接達到想要的形狀，其中小塊銅（管）被放在一起並焊接，焊接是一個耗時的過程並且導致大量的生產成本產生。

幾何形狀越複雜的電感線圈，需要焊接的單個元件越多。當為了獲得所需的幾何形狀而需要彼此相鄰的多個焊點時，必須使用幾種具有不同熔點的焊接劑，以便在施加第二焊料時第一焊料不會鬆動。

手工製造的電感器的工作時間和質量不能滿足行業不斷增長的需求。而通過金屬增材製造（AM），可以實現優質的零件，這些零件具有高度複雜的幾何形狀，從而滿足規模生產的需求。沒有焊接接頭的3D列印電感器需要更少的能量，具有更高的效率並且可以實現均勻的硬化結果。

此外，3D列印不僅推薦用於生產傳統上無法實現的精細幾何形狀。對於標準幾何形狀，3D列印也具有吸引力且有利可圖。用戶可以期望3D列印實現與傳統焊接的電感器相同的製造成本，而3D列印可以消除傳統焊接線圈的所有缺點。例如，GKN粉末冶金工藝下生產的電感器零件的使用壽命是傳統製造工藝所生產的零件使用壽命的4倍。

/銅熱交換器

粉末床熔化（PBF）增材製造技術為製造使得緊湊、高效的新一代熱交換器成為可能，如果將金屬3D列印技術與具有出色導熱性能的銅相結合，為電動汽車熱交換器技術的提升帶來巨大的想像空間。隨著銅合金、純銅的增材製造變得更為成熟，也為製造高性能銅金屬熱交換器做了鋪墊。結合面向增材製造的設計，將加速新能源汽車等領域換熱器產品的創新。

▲銅散熱器

nTopology

/電動機定子繞組

在電動汽車方面，銅的3D列印也具有一定的應用潛力。電力驅動及控制系統是電動汽車的核心，也是區別於內燃機汽車的最大不同點。電力驅動及控制系統由驅動電動機、電源和電動機控制裝置等組成。電動汽車的其他裝置基本與內燃機汽車相同。電力驅動子系統由電控單元、控制器、電動機、機械傳動裝置和驅動車輪組成。主能源子系統由主能源、能量管理系統和充電系統構成。輔助控制子系統具有動力轉向、溫度控制和輔助動力供給等功能。

根據3D科學谷的市場觀察，市場上，德國Additive Drives公司通過3D列印增材製造電動機定子繞組，並有望顯著改善零件性能。

電動機的最大輸出功率由於其預熱而受到限制，例如由於允許的繞組溫度而受到限制。通常有兩個提高功率限制的槓桿：首先，以相同的功率減少損耗，其次，改善散熱。繞組的設計在這裡起主要作用，因為它是主要的熱源。

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

德國Additive Drives公司通過3D列印實現了更高的自由度，通過基於粉末床的SLM選區金屬3D列印工藝，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列印所實現的可變的形狀還有利於散熱，因為每條電線都與線圈的所謂疊片鐵芯熱接觸，因此沒有熱點。

3D科學谷在《銅金屬3D列印白皮書1.0》中，對銅合金、純銅增材製造中所應用的3D列印技術，銅金屬3D列印存在的技術難點，銅金屬3D列印材料和工藝的發展情況，銅增材製造的應用前景，典型專利，及其供應鏈進行了分析。