（三）导电材料的增材制造及全篇总结 l 3D打印+拓扑优化=下一代电机

| 3DScienceValley · 2022/04/19

铜 (Cu) 作为一种韧性金属，具有良好的耐腐蚀性、低化学反应性、非凡的机械加工性和成型性以及高导电。由于这些独特的特性，纯铜在生产用于电子、散热器、增压空气冷却器和热交换器等多种应用的设备以及电子封装、汽车和建筑行业等各种工业领域的设备方面受到了广泛关注。

本期谷.专栏，将分享铜用于电机方面的3D打印-增材制造进展。并对前两期《（一）电机的增材制造下一代电机》，《（二）磁体的增材制造下一代电机》进行全文总结。

3D打印电机
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3D打印的优势与挑战

根据3D科学谷的市场了解，在电机中，导电材料用于以最小的焦耳热维持电机内的电流。这些损耗主要发生在电机电磁铁循环通电的定子绕组内。与焦耳损耗相关的主要本征材料特性是电导率或其倒数 – 材料电阻率。对用于电机导体制造的 AM 增材制造方法的兴趣是双重的：首先，AM增材制造有助于以具有成本效益的方式制造新型高性能绕组轮廓，其次，它能够将机电组件集成到多材料组件中。

由于最常用的电导体材料是铜，其他材料的电导率通常被量化为相对于退火铜的电导率。即1913年制定的国际退火铜标准（IACS），将100% IACS定义为纯铜的电导率：20°C时为5.8×107 S/m。其他常见纯导电金属的相对电导率达到106%银为 72%，金为 72%，铝为 62% IACS。还值得注意的是，由于制造方法的进步，现代合金可以实现比 IACS 标准略高的电导率：例如无氧高电导率铜合金达到 102% 的相对电导率。

驱动电机组成
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与磁性材料不同，根据3D科学谷的了解，目前市场上标准的激光熔化L-PBF金属3D打印系统并不最适合高导电材料的 AM-增材制造成型。这是由于铜和铝在典型的 L-PBF 激光红外波长（1000-1100 nm）下的高反射率，导致能量吸收低（低于铜能量吸收的 2%）和粉末的无效熔化。

I 挑战

纯铜和铜金属的增材制造应用存在的挑战包括以下几点：

由于铜及其合金的高电导率和热导率增加了从熔池到周围区域的热传递率，并产生高热梯度和不利后果。
对于激光增材制造来说，高激光反射率是另一个最重要的问题。
快速传热和高反射率都阻碍了激光功率的吸收，导致高孔隙率和较差的机械、热和电性能。此外，铜的延展性会对粉末去除和回收后产生负面影响，可能是因为在此阶段构建的铜片很容易变形。
铜对氧化的高敏感性使粉末处理变得复杂。

铜的3D打印

根据3D科学谷的了解，目前主要有四种途径加工铜金属，一种是PBF金属3D打印技术类别中的EBM电子束熔化金属3D打印技术；一种是PBF金属3D打印技术类别中的L-PBF激光选区熔化金属3D打印；一种是BJ粘结剂喷射金属3D打印；第四种是FDM挤出式3D打印，不过根据3D科学谷的市场研究，当前FDM挤出式3D打印铜合金的电导率还不足以满足电机的应用。

3D打印铜
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根据3D科学谷的市场研究，针对铜对激光的反射特点，克服粉末床激光铜增材制造挑战的思路是调整激光波长。较大的波长会降低激光吸收率，而随着较短的激光波长而增加。波长约为 520 nm 的绿色和蓝色激光将激光吸收率提高到 40%

通过电子束熔化（Cu 吸收大约80% 的能量）或绿色和蓝色激光熔化（Cu吸收高于40%的能量），可以实现更有效的金属粉末熔化。值得注意的是，铜是出色的电导体通常也是出色的热导体，这会带来额外的3D打印挑战。在 PBF 金属粉末熔化3D打印工艺中，这会导致热能从熔池中快速传导出来，从而导致局部热梯度很高，可能导致分层、变形和零件故障。

3D打印的铜金属相对密度和电导率之间大致呈线性关系——范围从~50-60% IACS（相对密度~85%）到~96-102% IACS（接近全密度）。根据3D科学谷的了解，目前通过电子束EBM金属3D打印可获得高达102% IACS的电导率，通过绿色激光的选区金属熔化金属3D打印 L-PBF 技术可获得高达98.6%的电导率。

此外，使用高功率 2000W（1070 nm 激光）L-PBF 3D打印系统打印的 Cu-Cr合金表现出接近等效的 98% IACS 电导率。

如前所述，市场上大多数可用的 L-PBF 系统（通常为 400 W 及以下）都难以熔化纯铜。对于低功率 L-PBF 打印，使用涂层颗粒可以获得最佳效果——以提高对激光能量的吸收。根据3D科学谷的市场观察，通过材料来实现纯铜粉末床激光熔化增材制造的技术已进入到商业化阶段。例如，位于太仓的德怡科技（Infinite Flex ）提供可用于标准红外激光 LPBF 3D打印设备的纯铜粉末材料。

热处理工艺被认为是实现铜和铝合金完全导电性的关键。对于高纯度材料，除了热等静压 (HIP) 处理外，低密度纯铜样品的电导率通过炉内退火获得提高。根据3D科学谷的了解，对3D打印零件进行直接时效硬化 (DAH)，是提升铜LPBF增材制造可行性的方式。这种热处理的应用产生了细小的 Cr 析出物，增加了硬度和 UTS（从 287 到 466 MPa），而延展性略有下降。有的研究团队，增材制造了密度接近 97.9% 的 Cu-Cr-Zr-Ti 铜合金样件，并对样件进行固溶退火和时效处理，导致了细长晶粒扩大。这些热处理通常用于提高强度。固溶退火用于使合金元素固溶在铜基体中，而随后的时效处理旨在形成进一步强化的析出物。

图 AM 导电材料的加工：(a) AlSi10Mg 合金中退火影响的微观结构变化 [136]，(b) 通过 HIP 处理提高 BJ 粘结剂喷射金属3D打印材料密度，(c) EBM 电子束金属3D打印纯铜的密度优化（通过增加能量输入）。

电机绕组和热交换器的3D打印

AM增材制造铜部件在生产更有效的电机绕组和热交换器方面具有显着优势。

l 电机绕组

根据3D科学谷的市场观察，电动汽车的电动机定子绕组的开发通常是众所周知的瓶颈，3D打印几乎无需模具就可以避免这种开发障碍。由于传统的生产涉及复杂的弯曲和焊接过程，3D打印带来的时间节省尤其是在所谓的发夹式绕组上得到了回报。本期，3D科学谷通过对铜在3D打印电动汽车的电动机定子绕组的最新发展，与谷友共同来感知3D打印如何成就电动汽车电驱动关键组件。

电动机的最大输出功率由于其预热而受到限制，例如由于允许的绕组温度而受到限制。通常有两个提高功率限制的杠杆：首先，以相同的功率减少损耗，其次，改善散热。绕组的设计在这里起主要作用，因为它是主要的热源。

经典的圆线绕组有许多限制：铜导体，绕组工艺和槽口几何形状必须匹配。彼此缠绕的导体形成牢固的图案。此外，圆形导线（经典的导体形状）在几何形状上与梯形凹槽的配合不佳。结果是，每个凹槽都被铜填充了一半，从而形成了空隙。相对较小的导体横截面可确保较大的电热损耗。

让铜的填充率更高，3D打印在这方面具备独特的优势。在这方面，市场上熟知的L-PBF选区激光金属熔化3D打印技术以及Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术是目前最为主的应用技术。

3D打印电机绕组的技术逻辑
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根据3D科学谷的市场观察，3D打印在电机绕组方面的最新进展是福特与蒂森克虏伯系统工程，亚琛工业大学DAP学院（ACAM亚琛增材制造中心研发成员）一起，在一条生产线上开发灵活而可持续的电动机零部件生产。该项目的名称是HaPiPro2，指的是发夹技术。发夹绕组是电动机领域中的一项新技术，矩形铜棒代替了缠绕的铜线。该过程比传统的绕线电机更易于自动化，并且在汽车领域特别受欢迎，因为它可以大大缩短制造时间。

3D打印电机绕组
© ACAM亚琛增材制造中心

3D打印适用于快速的原型制造，能够将测量结果实时反馈到仿真中，从而确保了所需的操作性能并提高了质量保证。HaPiPro2项目正在研究如何进一步开发该方法，以便在单个生产线上高效生产不同型号的电动机。

HaPiPro2项目不仅旨在高效构建高效的电动机，而且还旨在开发生产中的各种灵活性。ACAM研发联合体成员亚琛工业大学把与面向应用程序研究有关的专业知识带到整个发夹的生产过程链。亚琛工业大学的任务还包括分析因果关系以及在生产计划中测试数字方法。

l 热交换器

AM增材制造铜热交换器包括主动和被动方法，通过集成冷却管、冷却夹套或拓扑优化的被动式热交换器。

材料性能效率通常通过特定的零部件设计来提高。铜的典型制造工艺，例如粉末冶金 (PM) 和传统工艺（例如锻造、机加工、挤压和铸造），可以生产简单的几何形状。但是难以生产复杂部件或翅片式热交换器和散热器，或者在制造时需要焊接等其他工艺来实现。

相对而言，增材制造工艺对于这种情况而言就更具优势。因为增材制造能够实现大量薄翅片或具有特定几何形状的复杂流道，这些几何形状增加了交换面积和湍流。此外，增材制造的整体式热交换器和散热器将更好地抵抗液体压力和泄漏。这些可行性为制造性能紧凑型铜热交换设备创造了条件。

3D打印电机的进展现状

根据3D科学谷，增材制造是开发复杂特征和形式的关键推动因素，这些特征和形式对于提高电动机的性能和功能至关重要。制造电动机的过程面临许多挑战，包括复杂或手动组装、难以加工且价格昂贵的材料、热管理以及使组件更轻的需求。通过产品重新设计,利用增材制造的能力，可以在成本、减少浪费、性能和易于制造方面实现主要优势。

根据3D科学谷的市场观察，3D打印在电机方面的最新进展是英国考文垂MTC国家制造技术中心的工程师正在开发他们声称可能是世界上第一个 3D 打印电动机，该团队开发了一种生产电动机的方法，该电动机的主要部件使用增材制造。

3D打印电动机

这个3D打印电机的特点是尽管关键部件的尺寸和质量减少了，但电机功率却增加了，零件数量的减少使供应链更简单，提高了制造效率，降低了运行成本，并减少了组装和检查时间和成本。

当前3D打印在电机方面的现状如下：

当通过优化的方法进行加工时，3D打印的导电和导磁材料显示出与高级商业材料相当的直流材料特性。
对于导电材料，采用 EBM 电子束3D打印和绿色激光 L-PBF 方法加工的高纯度铜粉已获得与商业高导电铜相当的性能。
使用涂层粉末颗粒（例如，CuCr1Zr 或 CuSn0.3）可以获得低功率红外 L-PBF 选区激光熔化金属3D打印的最佳结果，以增强光学吸收，达到大约 80% IACS 电导率。
对于3D打印-增材制造加工的硅钢，L-PBF 选区激光熔化金属3D打印是文献中应用最广泛的方法，与商业无取向硅钢片相比，3D打印样品显示出相似的直流磁性能。
3D打印的导电元件和导磁元件都受到有限的多材料打印能力的影响。最突出的是，这会导致打印软磁通量引导中的涡流损耗增加，并在形成可靠的绕组匝间绝缘方面面临挑战。
3D打印硬磁材料仍处于早期研究阶段。仍需要进一步优化工艺。
电磁元件的原型制作或小批量生产方面目前成熟度最高的3D打印技术是PBF基于粉末床的金属熔化3D打印技术，可以制备高空间精度、高纯度、接近全致密的零件。
当前的 PBF 3D打印系统在小批量生产或优化电机绕组、热交换器和同步转子的方面显示出商业前景。

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