如今，3D打印技術(shù)不僅可以制作形狀復(fù)雜的塑料藝術(shù)品，還被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。但純銅和塑料卻不同，現(xiàn)在還不能使用紅外激光對(duì)純銅實(shí)現(xiàn)完全熔化，以構(gòu)建復(fù)雜的工件。對(duì)此，位于德國(guó)亞琛的弗勞恩霍夫材料與束技術(shù)研究所（FraunhoferIWS），采用了一種新型的增材制造系統(tǒng)，其裝載的短波綠色激光束能輕松熔化銅。

新的增材制造系統(tǒng)完全融化了純銅粉

通過(guò)使用該技術(shù)，使以前無(wú)法構(gòu)建的銅制工件成為可能。至此，未來(lái)由純銅、銅合金材質(zhì)構(gòu)成的復(fù)雜部件，也將被應(yīng)用于航空航天、自動(dòng)化等工業(yè)領(lǐng)域，為提高電動(dòng)機(jī)和熱交換器效率提供了保障。

如今，弗勞恩霍夫材料與束技術(shù)研究所通過(guò)全新的增材制造系統(tǒng)，設(shè)計(jì)制造兼具導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性的純銅制件。在電子電力行業(yè)，這些純銅組件能提供更高效的電動(dòng)機(jī)和散熱器。并且，純銅組件在線圈和傳感器上的應(yīng)用也變得有可能。通過(guò)增材制造生產(chǎn)的銅組件，特別適合安裝在緊湊型設(shè)備里，同時(shí)保證高效率和高性能。例如未來(lái)電子電力設(shè)備中的高效散熱器，以及衛(wèi)星電力驅(qū)動(dòng)使用的特制線圈，太空推進(jìn)系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)等。

配備同等設(shè)備的研究機(jī)構(gòu)屈指可數(shù)

在薩克森，這種全新的激光束熔化系統(tǒng)還是獨(dú)一無(wú)二的，甚至在德國(guó)其他地方也不多見(jiàn)。替代1064nm紅外波長(zhǎng)，該系統(tǒng)采用的是515nm高能量密度的盤(pán)狀綠色激光束?！耙酝膶?shí)驗(yàn)表明，即使紅外激光功率達(dá)到500W，還是不能有效熔化純銅制件，”該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人SamiraGruber表示。

德累斯頓增材制造中心的“TruPrint1000”設(shè)備

實(shí)際上，采用紅外激光對(duì)銅件進(jìn)行作業(yè)時(shí)，只有30%的激光能量進(jìn)入工件內(nèi)部，其余大部分能量被銅反射掉。但用500W綠光激光加工時(shí)，卻得到了不一樣的結(jié)果。這次銅件吸收了70%的激光能量，從而實(shí)現(xiàn)了理想的熔化效果，這也將大大提升增材制造領(lǐng)域中銅件的參與率。

純銅是導(dǎo)電和導(dǎo)熱的絕佳材料

因?yàn)殂~具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，所以如果在增材制造領(lǐng)域能廣泛應(yīng)用，銅件也將發(fā)揮其最大優(yōu)勢(shì)?！爱?dāng)前在航空航天、電子、汽車(chē)行業(yè)，銅件或是銅合金制件扮演著十分重要的角色，”研究所增材制造設(shè)備帶頭人ElenaLopez對(duì)此強(qiáng)調(diào)。

Elena Lopez進(jìn)一步談到：“相比傳統(tǒng)鋁制工藝方法，通過(guò)增材制造生產(chǎn)的銅件在特定體積的電導(dǎo)性上表現(xiàn)得更為出色，這也是生產(chǎn)高性能小型設(shè)備廠商非常感興趣的地方。目前，銅件在機(jī)械加工、鑄件領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，然而增材制造技術(shù)將重新詮釋加工工藝，為制造復(fù)雜幾何形狀的工件提供解決方案?！?/p>

緊湊高效的設(shè)計(jì)帶來(lái)更高的性能

“現(xiàn)在，由增材制造帶來(lái)的幾何外形靈活性的增加，為進(jìn)一步延長(zhǎng)銅質(zhì)組件的冷卻能力提供了機(jī)會(huì)，從而延長(zhǎng)了銅質(zhì)組件整體的使用壽命，”SamiraGruber解釋道。據(jù)悉，研究人員采用的方法是，重新設(shè)計(jì)激光器的冷卻通道，從而讓作業(yè)中的液體和氣體壓力損失降至最低，讓更多的激光能量被工件表面吸收。

增材制造：薩克森研究人員參與其中

研究所的這項(xiàng)新設(shè)備是通過(guò)“智能制造與材料”工藝中心發(fā)布的。該中心是由開(kāi)姆尼茨工業(yè)大學(xué)（TechnischeUniversit?tChemnitz）、德累斯頓工業(yè)大學(xué)（TechnischeUniversit?tDresden）和弗勞恩霍夫材料與束技術(shù)研究所（FraunhoferInstitutesIWS）聯(lián)合發(fā)起的，其中心成員還有像ENAS、IWU、IKTS，該中心旨在推動(dòng)創(chuàng)新工業(yè)制造和工業(yè)4.0。

復(fù)雜的銅零件是逐層制造的，例如散熱器

目前這臺(tái)“TruPrint1000”機(jī)器裝備在德累斯頓增材制造中心（AdditiveManufacturingCenterDresden）。未來(lái)，研究人員將與德累斯頓的科學(xué)家們一起，在增材制造工藝研發(fā)上繼續(xù)投入。

延伸閱讀

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)用于電子制造、航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室部件。

早在2015年，NASA就取得了銅合金部件3D打印方面的進(jìn)展，制造技術(shù)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，該部件總共分為8255層，逐層打印，打印總耗時(shí)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(duì)增材制造技術(shù)來(lái)說(shuō)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。

銅感應(yīng)器線圈

一般來(lái)說(shuō)，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(guò)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(guò)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(zhǎng)的需求。而通過(guò)金屬增材制造，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(méi)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。

銅熱交換器

粉末床熔化增材制造技術(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(chē)熱交換器技術(shù)的提升帶來(lái)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(chē)等領(lǐng)域換熱器產(chǎn)品的創(chuàng)新。（延伸閱讀部分來(lái)源“3D科學(xué)谷”）