純銅及銅合金由于極好的導電、導熱、耐腐蝕性及韌性等特點，被廣泛應用于電力、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，被廣泛應用于制造電子、航空、航天發動機燃燒室部件。但是隨著應用端對于復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打印技術能夠制造復雜的功能集成零部件，這一優勢在銅金屬制造領域也同樣能夠得到體現，比如說在銅電感線圈制造領域，金屬3D打印技術就可以用于替代傳統制造工藝，直接制造復雜電感線圈, 避免對于組裝的需求和因焊接帶來的不足。關于銅的3D打印技術呈現出越來越經濟多樣的發展態勢，本期3D科學谷與谷友進一步來了解Fraunhofer ILT激光研究所推出通過綠色激光熔化純銅的解決方案后，其兄弟研究所Fraunhofer IWS材料與束技術研究所在實現復雜銅產品的3D打印方面的收獲。
首次3D打印帶有復雜設計的銅組件。來源：Fraunhofer IWS
開啟復雜銅零件的制造
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方法。可以用于制造航空航天和汽車工業的由純銅和銅合金制成的復雜部件，并且可以提高電動機和熱交換器的效率。
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備中更高效、更緊湊的散熱器，以及用于衛星中的電氣驅動，空間推進系統中的冷卻系統以及發動機零部件。
帶有復雜設計的銅組件。Fraunhofer IWS
通過Fraunhofer IWS安裝的通快綠色激光系列TruPrint1000金屬3D打印設備，Fraunhofer IWS能夠設計和制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，還可以應用于電感器線圈的生產中。
Fraunhofer IWS安裝的通快TruPrint1000。Fraunhofer IWS
TruPrint1000金屬3D打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激光器。3D科學谷了解到，根據Fraunhofer IWS，先前的實驗反復表明，功率高達500瓦的紅外激光束不足以完全熔化銅，所使用的能量中只有30％到達銅材料–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。
純銅導熱和導電性特別好
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高度復雜幾何形狀的新選擇，而這在常規制造工藝中根本不可能實現。
由于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-增材制造系統中進行處理，則將對目前和未來的銅產品的設計與制造構成重大改進潛力。
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。增材制造的銅零件由于具有更高的體積比和導電性而優于許多鋁和其他合金的解決方案。
3D科學谷Review
關于銅的金屬3D打印，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打印領域取得的突破，為制造新一代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統工藝制造的，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成。
相比傳統的制造工藝，選區激光熔化3D打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。
從事小型火箭制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去年以來一直致力于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，集成了復雜冷卻通道，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打印方面獲得進展，制造技術也是選區激光熔化3D打印，打印材料為GRCo-84銅合金。NASA用這項技術制造的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外壁之間具有200多個復雜的通道，制造這些微小的、具有復雜幾何形狀的內部通道，即使對增材制造技術來說也是一大挑戰。部件打印完成后，NASA的研究人員使用電子束自由制造設備為其涂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制造速度大幅提升，同時至少降低50%的制造成本。
根據3D科學谷的市場觀察，國內金屬3D打印企業鉑力特已在銅金屬激光成形領域取得了進展，研制出針對難熔金屬和高導熱、高反射金屬的3D打印工藝，實現了復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制造工序。線圈通過手動彎曲和焊接達到想要的形狀，其中小塊銅（管）被放在一起并焊接，焊接是一個耗時的過程并且導致大量的生產成本產生。
幾何形狀越復雜的電感線圈，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松動。
手工制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。而通過金屬增材制造（AM），可以實現優質的零件，這些零件具有高度復雜的幾何形狀，從而滿足規模生產的需求。沒有焊接接頭的3D打印電感器需要更少的能量，具有更高的效率并且可以實現均勻的硬化結果。
此外，3D打印不僅推薦用于生產傳統上無法實現的精細幾何形狀。對于標準幾何形狀，3D打印也具有吸引力且有利可圖。用戶可以期望3D打印實現與傳統焊接的電感器相同的制造成本，而3D打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制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）增材制造技術為制造使得緊湊、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。結合面向增材制造的設計，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打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，也是區別于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打印增材制造電動機定子繞組，并有望顯著改善零件性能。
電動機的最大輸出功率由于其預熱而受到限制，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。繞組的設計在這里起主要作用，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打印實現了更高的自由度，通過基于粉末床的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打印所實現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。
3D科學谷在《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，銅增材制造的應用前景，典型專利，及其供應鏈進行了分析。
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