绿色激光熔化纯铜

如今，3D打印技术不仅可以制作形状复杂的塑料艺术品，还被广泛应用于各行各业。但纯铜和塑料却不同，现在还不能使用红外激光对纯铜实现完全熔化，以构建复杂的工件。对此，位于德国亚琛的弗劳恩霍夫材料与束技术研究所（FraunhoferIWS），采用了一种新型的增材制造系统，其装载的短波绿色激光束能轻松熔化铜。

新的增材制造系统完全融化了纯铜粉

通过使用该技术，使以前无法构建的铜制工件成为可能。至此，未来由纯铜、铜合金材质构成的复杂部件，也将被应用于航空航天、自动化等工业领域，为提高电动机和热交换器效率提供了保障。

如今，弗劳恩霍夫材料与束技术研究所通过全新的增材制造系统，设计制造兼具导热性和导电性的纯铜制件。在电子电力行业，这些纯铜组件能提供更高效的电动机和散热器。并且，纯铜组件在线圈和传感器上的应用也变得有可能。通过增材制造生产的铜组件，特别适合安装在紧凑型设备里，同时保证高效率和高性能。例如未来电子电力设备中的高效散热器，以及卫星电力驱动使用的特制线圈，太空推进系统的冷却系统等。

配备同等设备的研究机构屈指可数

在萨克森，这种全新的激光束熔化系统还是独一无二的，甚至在德国其他地方也不多见。替代1064nm红外波长，该系统采用的是515nm高能量密度的盘状绿色激光束。“以往的实验表明，即使红外激光功率达到500W，还是不能有效熔化纯铜制件，”该项目负责人SamiraGruber表示。

德累斯顿增材制造中心的“TruPrint1000”设备

实际上，采用红外激光对铜件进行作业时，只有30%的激光能量进入工件内部，其余大部分能量被铜反射掉。但用500W绿光激光加工时，却得到了不一样的结果。这次铜件吸收了70%的激光能量，从而实现了理想的熔化效果，这也将大大提升增材制造领域中铜件的参与率。

纯铜是导电和导热的绝佳材料

因为铜具有优异的导电性和导热性，所以如果在增材制造领域能广泛应用，铜件也将发挥其最大优势。“当前在航空航天、电子、汽车行业，铜件或是铜合金制件扮演着十分重要的角色，”研究所增材制造设备带头人ElenaLopez对此强调。

ElenaLopez进一步谈到：“相比传统铝制工艺方法，通过增材制造生产的铜件在特定体积的电导性上表现得更为出色，这也是生产高性能小型设备厂商非常感兴趣的地方。目前，铜件在机械加工、铸件领域中应用广泛，然而增材制造技术将重新诠释加工工艺，为制造复杂几何形状的工件提供解决方案。”

紧凑高效的设计带来更高的性能

“现在，由增材制造带来的几何外形灵活性的增加，为进一步延长铜质组件的冷却能力提供了机会，从而延长了铜质组件整体的使用寿命，”SamiraGruber解释道。据悉，研究人员采用的方法是，重新设计激光器的冷却通道，从而让作业中的液体和气体压力损失降至最低，让更多的激光能量被工件表面吸收。

增材制造：萨克森研究人员参与其中

研究所的这项新设备是通过“智能制造与材料”工艺中心发布的。该中心是由开姆尼茨工业大学（TechnischeUniversitätChemnitz）、德累斯顿工业大学（TechnischeUniversitätDresden）和弗劳恩霍夫材料与束技术研究所（FraunhoferInstitutesIWS）联合发起的，其中心成员还有像ENAS、IWU、IKTS，该中心旨在推动创新工业制造和工业4.0。

复杂的铜零件是逐层制造的，例如散热器

目前这台“TruPrint1000”机器装备在德累斯顿增材制造中心（AdditiveManufacturingCenterDresden）。未来，研究人员将与德累斯顿的科学家们一起，在增材制造工艺研发上继续投入。

延伸阅读

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，被广泛应用于电子制造、航空、航天发动机燃烧室部件。

早在2015年，NASA就取得了铜合金部件3D打印方面的进展，制造技术是选区激光熔化3D打印，打印材料为GRCo-84铜合金。NASA用这项技术制造的3D打印零件为火箭燃烧室衬里，该部件总共分为8255层，逐层打印，打印总耗时10天零18个小时。

这个铜合金燃烧室零部件内外壁之间具有200多个复杂的通道，制造这些微小的、具有复杂几何形状的内部通道，即使对增材制造技术来说也是一大挑战。部件打印完成后，NASA的研究人员使用电子束自由制造设备为其涂覆一层含镍的超合金。NASA的最终目标是要使火箭发动机零部件的制造速度大幅提升，同时至少降低50%的制造成本。

铜感应器线圈

一般来说，电感应器中的电感线圈需要经历若干机械制造工序。线圈通过手动弯曲和焊接达到想要的形状，其中小块铜（管）被放在一起并焊接，焊接是一个耗时的过程并且导致大量的生产成本产生。

几何形状越复杂的电感线圈，需要焊接的单个元件越多。当为了获得所需的几何形状而需要彼此相邻的多个焊点时，必须使用几种具有不同熔点的焊接剂，以便在施加第二焊料时第一焊料不会松动。

手工制造的电感器的工作时间和质量不能满足行业不断增长的需求。而通过金属增材制造，可以实现优质的零件，这些零件具有高度复杂的几何形状，从而满足规模生产的需求。没有焊接接头的3D打印电感器需要更少的能量，具有更高的效率并且可以实现均匀的硬化结果。

铜热交换器

粉末床熔化增材制造技术为制造使得紧凑、高效的新一代热交换器成为可能，如果将金属3D打印技术与具有出色导热性能的铜相结合，为电动汽车热交换器技术的提升带来巨大的想象空间。随着铜合金、纯铜的增材制造变得更为成熟，也为制造高性能铜金属热交换器做了铺垫。结合面向增材制造的设计，将加速新能源汽车等领域换热器产品的创新。（延伸阅读部分来源“3D科学谷”）

文/弗劳恩霍夫材料与束技术研究所