纯铜及铜合金由于极好的导电、导热、耐腐蚀性及韧性等特点，被广泛应用于电力、散热、管道、装饰等领域，有的铜合金材料因具有良好的导电、导热性和较高强度，被广泛应用于制造航空、航天发动机燃烧室部件。但是随着应用端对于复杂结构零部件的需求增多，传统加工工艺已逐渐无法满足需求。
近日，美国的Markforged公司推出了一种成功3D打印铜零件的方法。这一工艺有望被广泛的应用于电动汽车等制造领域。
3D打印铜。来源：Markforged
更经济更复杂的铜零件
由于铜的导热性和反射性极佳，这使得铜金属在3D打印机内部难以操作。虽然当前选择性激光熔化（SLM）3D打印技术可以用于制造铜金属粉末材料。但是铜金属在激光熔化的过程中，吸收率低，激光难以持续熔化铜金属粉末，从而导致成形效率低，冶金质量难以控制等问题。此外，铜的高延展性给去除多余粉末这样的后处理工作增加了难度。
之前，Fraunhofer ILT推出了绿色激光器解决方案，与1μm波长的波长相比更短，波长在515nm。这意味着更少的激光功率输出，此外，激光束可以更精确地聚焦，使其能够使用新的SLM工艺制造更加精细的部件。
不过Markforged公司的铜3D打印工艺与Fraunhofer ILT推出了绿色激光器解决方案并不相同，与粉末床选区激光熔化金属3D打印工艺相区别，Markforged使用的是挤出式的3D打印技术，通过解决以前无法解决的挑战，来降低汽车生产制造成本，同时提高电动汽车电机的效率。
根据3D科学谷的市场观察，在电动汽车方面，电力驱动及控制系统是电动汽车的核心，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。电力驱动及控制系统由驱动电动机、电源和电动机控制装置等组成。电动汽车的其他装置基本与内燃机汽车相同。电力驱动子系统由电控单元、控制器、电动机、机械传动装置和驱动车轮组成。主能源子系统由主能源、能量管理系统和充电系统构成。辅助控制子系统具有动力转向、温度控制和辅助动力供给等功能。
3D打印铜的潜力应用之一。来源：3D科学谷《铜金属3D打印白皮书》
使用铸铜转子的电动机可以帮助普通感应式电动机有效降低电动机的转子损耗，从而帮助提高电动机的效率，在电动机损耗降低的同时，由于转化为热能的能量减少，从而使得转子以及定子线圈温度降低。
根据3D科学谷的市场观察，Markforged所开发的3D打印铜金属工艺，将有望解决电动汽车铸铜零件铸造和钎焊的挑战，替代铸造与钎焊，实现更经济更复杂更高效的铜零件生产，从而有望应用于例如转子、散热器、感应器等零件的制造中。
与选区激光金属熔化3D打印工艺相区别，Markforged所开发的3D打印铜金属工艺将铜与塑料材料混合成铜丝，然后通过挤出熔融的方式逐层构造部件，这个过程只是在熔化塑料，而不是在熔化铜。然后，将铜放入烧结炉中，将其中的塑料材料去除。
3D打印提供了在经济上制造较小、更复杂、高公差零件的能力，目前，汽车制造商如何在节省成本的同时提高质量的一个例子是通过Markforged的工艺3D打印铜焊柄，该焊柄用于点焊车身零件。大多数大型汽车制造厂可能会从外部供应商处购买多达100万美元的备用刀柄。而如果制造商可以自己制造更小、更紧凑的焊柄，则可以在更狭窄的空间焊接，这意味着可以使用更少的点焊，因为可以使焊缝更接近想要的位置，这对高性能汽车非常有用。
3D打印铜焊柄。来源：Markforged
根据3D科学谷的市场观察，一家制造商已经通过Markforged的工艺3D打印铜焊柄进行了数千次试焊，零件交货时间减少了12倍，零件成本减少了6倍。
更多关于铜的3D打印，敬请关注2020年3D科学谷计划发布的《铜金属3D打印白皮书》。
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