純銅及銅合金由於(yu) 極好的導電、導熱、耐腐蝕性及韌性等特點，被廣泛應用於(yu) 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(yu) 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(yu) 複雜結構零部件的需求增多，傳(chuan) 統加工工藝已逐漸無法滿足全部需求。

金屬3D打印技術能夠製造複雜的功能集成零部件，這一優(you) 勢在銅金屬製造領域也同樣能夠得到體(ti) 現，比如說在銅電感線圈製造領域，金屬3D打印技術就可以用於(yu) 替代傳(chuan) 統製造工藝，直接製造複雜電感線圈, 避免對於(yu) 組裝的需求和因焊接帶來的不足。關(guan) 於(yu) 銅的3D打印技術呈現出越來越經濟多樣的發展態勢，本期3D科學穀與(yu) 穀友進一步來了解Fraunhofer ILT激光研究所推出通過綠色激光熔化純銅的解決(jue) 方案後，其兄弟研究所Fraunhofer IWS材料與(yu) 束技術研究所在實現複雜銅產(chan) 品的3D打印方麵的收獲。

首次3D打印帶有複雜設計的銅組件。來源：Fraunhofer IWS

開啟複雜銅零件的製造

位於(yu) 德國德累斯頓的弗勞恩霍夫材料與(yu) 束技術研究所Fraunhofer IWS通過短波綠色激光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(chan) 方法。可以用於(yu) 製造航空航天和汽車工業(ye) 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打印-增材製造的銅組件特別適合於(yu) 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(yu) 衛星中的電氣驅動，空間推進係統中的冷卻係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安裝的通快綠色激光係列TruPrint1000金屬3D打印設備，Fraunhofer IWS能夠設計和製造出具有優(you) 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(yu) 電感器線圈的生產(chan) 中。

Fraunhofer IWS安裝的通快TruPrint1000。Fraunhofer IWS

TruPrint1000金屬3D打印係統不是使用波長為(wei) 1064納米（百萬(wan) 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科學穀了解到，根據Fraunhofer IWS，先前的實驗反複表明，功率高達500瓦的紅外激光束不足以完全熔化銅，所使用的能量中隻有30％到達銅材料–其餘(yu) 的能量被金屬反射。而最大功率為(wei) 500瓦的新型綠色激光器提供了獨辟蹊徑的解決(jue) 方案：銅粉吸收了70％以上的能量並完全熔化，從(cong) 而使其可用於(yu) 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打印-增材製造工藝開辟了生產(chan) 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(yu) 銅的導熱性和導電性非常好，因此，當這種金屬可以在3D打印-增材製造係統中進行處理，則將對目前和未來的銅產(chan) 品的設計與(yu) 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(ye) 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(yu) 具有更高的體(ti) 積比和導電性而優(you) 於(yu) 許多鋁和其他合金的解決(jue) 方案。

3D科學穀Review

關(guan) 於(yu) 銅的金屬3D打印，根據3D科學穀的市場觀察，目前市場上最為(wei) 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(zhong) 多的航天企業(ye) 紛紛在火箭銅合金推力室方麵獲得了突破，其中早先Aerojet Rocketdyne在火箭銅合金推力室3D打印領域取得的突破，為(wei) 製造新一代RL10發動機帶來了可能性。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(chuan) 統工藝製造的，由多個(ge) 不鏽鋼零件焊接而成，而3D打印的銅合金推力室部件則由兩(liang) 個(ge) 銅合金零件構成。

相比傳(chuan) 統的製造工藝，選區激光熔化3D打印技術為(wei) 推力室的設計帶來了更高的自由度，使設計師可以嚐試具有更高熱傳(chuan) 導能力的先進結構。而增強的熱傳(chuan) 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(cong) 事小型火箭製造與(yu) 發射的航天初創企業(ye) 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(yu) 開發概念驗證發動機E-1 ，這是一種3D打印銅合金（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打印推力室。Launcher

NASA在2015年取得了銅合金部件3D打印方麵獲得進展，製造技術也是選區激光熔化3D打印，打印材料為(wei) GRCo-84銅合金。NASA用這項技術製造的3D打印零件為(wei) 火箭燃燒室襯裏，該部件總共被分為(wei) 8,255層，進行逐層打印，打印時間為(wei) 10天零18個(ge) 小時。

這個(ge) 銅合金燃燒室零部件內(nei) 外壁之間具有200多個(ge) 複雜的通道，製造這些微小的、具有複雜幾何形狀的內(nei) 部通道，即使對增材製造技術來說也是一大挑戰。部件打印完成後，NASA的研究人員使用電子束自由製造設備為(wei) 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科學穀的市場觀察，國內(nei) 金屬3D打印企業(ye) 鉑力特已在銅金屬激光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打印工藝，實現了複雜流道的銅材料製造工藝，成功製備出3D打印銅合金尾噴管。

銅感應器線圈

一般來說，電感應器中的電感線圈需要經曆若幹機械製造工序。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(ge) 耗時的過程並且導致大量的生產(chan) 成本產(chan) 生。

幾何形狀越複雜的電感線圈，需要焊接的單個(ge) 元件越多。當為(wei) 了獲得所需的幾何形狀而需要彼此相鄰的多個(ge) 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(hui) 鬆動。

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

此外，3D打印不僅(jin) 推薦用於(yu) 生產(chan) 傳(chuan) 統上無法實現的精細幾何形狀。對於(yu) 標準幾何形狀，3D打印也具有吸引力且有利可圖。用戶可以期望3D打印實現與(yu) 傳(chuan) 統焊接的電感器相同的製造成本，而3D打印可以消除傳(chuan) 統焊接線圈的所有缺點。例如，GKN粉末冶金工藝下生產(chan) 的電感器零件的使用壽命是傳(chuan) 統製造工藝所生產(chan) 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(wei) 製造使得緊湊、高效的新一代熱交換器成為(wei) 可能，如果將金屬3D打印技術與(yu) 具有出色導熱性能的銅相結合，為(wei) 電動汽車熱交換器技術的提升帶來巨大的想象空間。隨著銅合金、純銅的增材製造變得更為(wei) 成熟，也為(wei) 製造高性能銅金屬熱交換器做了鋪墊。結合麵向增材製造的設計，將加速新能源汽車等領域換熱器產(chan) 品的創新。

銅散熱器。nTopology

電動機定子繞組

在電動汽車方麵，銅的3D打印也具有一定的應用潛力。電力驅動及控製係統是電動汽車的核心，也是區別於(yu) 內(nei) 燃機汽車的最大不同點。電力驅動及控製係統由驅動電動機、電源和電動機控製裝置等組成。電動汽車的其他裝置基本與(yu) 內(nei) 燃機汽車相同。電力驅動子係統由電控單元、控製器、電動機、機械傳(chuan) 動裝置和驅動車輪組成。主能源子係統由主能源、能量管理係統和充電係統構成。輔助控製子係統具有動力轉向、溫度控製和輔助動力供給等功能。

根據3D科學穀的市場觀察，市場上，德國Additive Drives公司通過3D打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(yu) 其預熱而受到限製，例如由於(yu) 允許的繞組溫度而受到限製。通常有兩(liang) 個(ge) 提高功率限製的杠杆：首先，以相同的功率減少損耗，其次，改善散熱。繞組的設計在這裏起主要作用，因為(wei) 它是主要的熱源。

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

德國Additive Drives公司通過3D打印實現了更高的自由度，通過基於(yu) 粉末床的SLM選區金屬3D打印工藝，使得凹槽中的銅含量更大。從(cong) 物理上講，這意味著匝的最大橫截麵和較小的電阻。而通過3D打印所實現的可變的形狀還有利於(yu) 散熱，因為(wei) 每條電線都與(yu) 線圈的所謂疊片鐵芯熱接觸，因此沒有熱點。

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