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,空間推進(jìn)系統(tǒng)中的冷卻系統(tǒng)以及發(fā)動機(jī)零部件。
帶有復(fù)雜設(shè)計的銅組件。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)動機(jī)燃燒室、電力驅(qū)動組件或熱交換器中,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)動機(jī)燃燒室、銅感應(yīng)器線圈、銅熱交換器、電動機(jī)定子繞組。
發(fā)動機(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)計帶來了更高的自由度,使設(shè)計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)動機(jī)的設(shè)計更加緊湊和輕量化,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)動機(jī)部件。Launcher去年以來一直致力于開發(fā)概念驗證發(fā)動機(jī)E-1 ,這是一種3D打印銅合金(Cucrzr)發(fā)動機(jī)部件,集成了復(fù)雜冷卻通道,這一設(shè)計將使發(fā)動機(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,打印時間為10天零18個小時。
這個銅合金燃燒室零部件內(nèi)外壁之間具有200多個復(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)動機(jī)零部件的制造速度大幅提升,同時至少降低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,焊接是一個耗時的過程并且導(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焊點(diǎn)時,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第一焊料不會松動。
手工制造的電感器的工作時間和質(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,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
電動機(jī)定子繞組
在電動汽車方面,銅的3D打印也具有一定的應(yīng)用潛力。電力驅(qū)動及控制系統(tǒng)是電動汽車的核心,也是區(qū)別于內(nèi)燃機(jī)汽車的最大不同點(diǎn)。電力驅(qū)動及控制系統(tǒng)由驅(qū)動電動機(jī)、電源和電動機(jī)控制裝置等組成。電動汽車的其他裝置基本與內(nèi)燃機(jī)汽車相同。電力驅(qū)動子系統(tǒng)由電控單元、控制器、電動機(jī)、機(jī)械傳動裝置和驅(qū)動車輪組成。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)具有動力轉(zhuǎn)向、溫度控制和輔助動力供給等功能。
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打印增材制造電動機(jī)定子繞組,并有望顯著改善零件性能。
電動機(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)計在這里起主要作用,因為它是主要的熱源。
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(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。
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