用于电动汽车的铜 3D 打印

1。简介：铜——3D 打印的顽童

随着工业电气化（电动汽车、可再生能源），对极其高效的铜组件（线圈、接触端子、热交换器）的需求不断增长。纯铜以其无与伦比的导电性和导热性而闻名。

但多年来，这些特性使铜成为金属 3D 打印（尤其是选择性激光熔化，PBF）的绝对噩梦。

2。第一个妥协：铜合金

为了使铜可印刷，开发了反射率较低的合金。

• CuCr1Zr（铜铬锆）：可以使用标准红外激光器轻松加工。
• 缺点：纯铜中的任何添加都会大大降低导电率。对于高精度电机线圈来说，这通常是不可接受的。

3。突破：绿色和蓝色激光器

物理问题的解决导致了波长的变化。

• 绿色激光 (515 nm)： 通快等公司已开发出使用绿色激光源的机器（例如 TruPrint 1000/5000 Green Edition）。在此波长下，液态铜吸收超过 40% 的辐射（相比之下，红外线的辐射量为 <5%）。
• 蓝色二极管激光器（450 nm）：蓝色激光器（例如用于 DED 工艺的 Nuburu 或 Laserline）具有很强的吸收能力，可以焊接铜结构。
• 结果：深而稳定的熔池。由纯铜 (Cu-OF/Cu-ETP) 制成的组件现在可以以 >99.9% 的相对密度进行印刷，并实现 100% IACS（国际退火铜标准）导电率。

4。高温预热

即使使用绿光激光器，铜的极端导热性仍然是一个问题：熔池凝固得太快并且部件破裂（热裂纹）。

• 因此，现代机器将绿色激光与将构建平台加热至 500 °C（某些系统甚至高达 1000 °C）相结合。降低的冷却速率可减少内应力并形成完美、无裂纹的结构。

5。电动汽车和太空旅行的用例

如果纯铜可以增材印刷，全新 (DfAM) 设计的可能性就会出现：

• 发夹定子绕组：在电动机中，铜绕组必须靠近在一起，以最大限度地提高填充系数。印刷铜导体轨道可以有角度且精确地适应定子。这显着提高了电动机的效率。
• 感应线圈：高频感应用于硬化齿轮。纯铜印刷线圈，内有三维弧形冷却水道，使用寿命比手工焊接铜管长很多倍。
• 火箭喷嘴：燃烧室必须极度冷却。 3D 打印可以直接在实心铜壁上形成冷却通道，冰冷的液氧在燃烧前通过该冷却通道被泵入。

6。结论：设计的新时代

可靠地印刷纯铜的技术现已准备好进行批量生产。最大的挑战不再是激光器，而是工程师，他们必须学会现在可以完全摆脱弯曲铜管的限制来设计热组件。