銅 (Cu) 作為一種韌性金屬，具有良好的耐腐蝕性、低化學(xué)反應(yīng)性、非凡的機(jī)械加工性和成型性以及高導(dǎo)電。由于這些獨(dú)特的特性，純銅在生產(chǎn)用于電子、散熱器、增壓空氣冷卻器和熱交換器等多種應(yīng)用的設(shè)備以及電子封裝、汽車(chē)和建筑行業(yè)等各種工業(yè)領(lǐng)域的設(shè)備方面受到了廣泛關(guān)注。

3D打印電機(jī)
 3D打印的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)

     在電機(jī)中，導(dǎo)電材料用于以最小的焦耳熱維持電機(jī)內(nèi)的電流。這些損耗主要發(fā)生在電機(jī)電磁鐵循環(huán)通電的定子繞組內(nèi)。與焦耳損耗相關(guān)的主要本征材料特性是電導(dǎo)率或其倒數(shù) – 材料電阻率。對(duì)用于電機(jī)導(dǎo)體制造的 AM 增材制造方法的興趣是雙重的：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繞組輪廓，其次，它能夠?qū)�機(jī)電組件集成到多材料組件中。

由于最常用的電導(dǎo)體材料是銅，其他材料的電導(dǎo)率通常被量化為相對(duì)于退火銅的電導(dǎo)率。即1913年制定的國(guó)際退火銅標(biāo)準(zhǔn)（IACS），將100% IACS定義為純銅的電導(dǎo)率：20°C時(shí)為5.8×107 S/m。其他常見(jiàn)純導(dǎo)電金屬的相對(duì)電導(dǎo)率達(dá)到106%銀為 72%，金為 72%，鋁為 62% IACS。還值得注意的是，由于制造方法的進(jìn)步，現(xiàn)代合金可以實(shí)現(xiàn)比 IACS 標(biāo)準(zhǔn)略高的電導(dǎo)率：例如無(wú)氧高電導(dǎo)率銅合金達(dá)到 102% 的相對(duì)電導(dǎo)率。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成
      與磁性材料不同，目前市場(chǎng)上標(biāo)準(zhǔn)的激光熔化L-PBF金屬3D打印系統(tǒng)并不最適合高導(dǎo)電材料的 AM-增材制造成型。這是由于銅和鋁在典型的 L-PBF 激光紅外波長(zhǎng)（1000-1100 nm）下的高反射率，導(dǎo)致能量吸收低（低于銅能量吸收的 2%）和粉末的無(wú)效熔化。

I 挑戰(zhàn)

純銅和銅金屬的增材制造應(yīng)用存在的挑戰(zhàn)包括以下幾點(diǎn)：

• 由于銅及其合金的高電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率增加了從熔池到周?chē)鷧^(qū)域的熱傳遞率，并產(chǎn)生高熱梯度和不利后果。
• 對(duì)于激光增材制造來(lái)說(shuō)，高激光反射率是另一個(gè)最重要的問(wèn)題。
• 快速傳熱和高反射率都阻礙了激光功率的吸收，導(dǎo)致高孔隙率和較差的機(jī)械、熱和電性能。此外，銅的延展性會(huì)對(duì)粉末去除和回收后產(chǎn)生負(fù)面影響 ，可能是因?yàn)樵诖穗A段構(gòu)建的銅片很容易變形。
• 銅對(duì)氧化的高敏感性使粉末處理變得復(fù)雜。

 銅的3D打印

       目前主要有四種途徑加工銅金屬，一種是PBF金屬3D打印技術(shù)類(lèi)別中的EBM電子束熔化金屬3D打印技術(shù)；一種是PBF金屬3D打印技術(shù)類(lèi)別中的L-PBF激光選區(qū)熔化金屬3D打��；一種是BJ粘結(jié)劑噴射金屬3D打�。坏谒姆N是FDM擠出式3D打印，不過(guò)根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，當(dāng)前FDM擠出式3D打印銅合金的電導(dǎo)率還不足以滿(mǎn)足電機(jī)的應(yīng)用。

3D打印銅
      針對(duì)銅對(duì)激光的反射特點(diǎn)，克服粉末床激光銅增材制造挑戰(zhàn)的思路是調(diào)整激光波長(zhǎng)。較大的波長(zhǎng)會(huì)降低激光吸收率，而隨著較短的激光波長(zhǎng)而增加。波長(zhǎng)約為 520 nm 的綠色和藍(lán)色激光將激光吸收率提高到 40%

      通過(guò)電子束熔化（Cu 吸收大約80% 的能量）或綠色和藍(lán)色激光熔化（Cu吸收高于40%的能量），可以實(shí)現(xiàn)更有效的金屬粉末熔化。值得注意的是，銅是出色的電導(dǎo)體通常也是出色的熱導(dǎo)體，這會(huì)帶來(lái)額外的3D打印挑戰(zhàn)。在 PBF 金屬粉末熔化3D打印工藝中，這會(huì)導(dǎo)致熱能從熔池中快速傳導(dǎo)出來(lái)，從而導(dǎo)致局部熱梯度很高，可能導(dǎo)致分層、變形和零件故障。

        3D打印的銅金屬相對(duì)密度和電導(dǎo)率之間大致呈線(xiàn)性關(guān)系——范圍從~50-60% IACS（相對(duì)密度~85%）到~96-102% IACS（接近全密度）。根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，目前通過(guò)電子束EBM金屬3D打印可獲得高達(dá)102% IACS的電導(dǎo)率，通過(guò)綠色激光的選區(qū)金屬熔化金屬3D打印 L-PBF 技術(shù)可獲得高達(dá)98.6%的電導(dǎo)率。

此外，使用高功率 2000W（1070 nm 激光）L-PBF 3D打印系統(tǒng)打印的 Cu-Cr合金表現(xiàn)出接近等效的 98% IACS 電導(dǎo)率。

如前所述，市場(chǎng)上大多數(shù)可用的 L-PBF 系統(tǒng)（通常為 400 W 及以下）都難以熔化純銅。對(duì)于低功率 L-PBF 打印，使用涂層顆粒可以獲得最佳效果——以提高對(duì)激光能量的吸收。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，通過(guò)材料來(lái)實(shí)現(xiàn)純銅粉末床激光熔化增材制造的技術(shù)已進(jìn)入到商業(yè)化階段。例如，位于太倉(cāng)的德怡科技（Infinite Flex ）提供可用于標(biāo)準(zhǔn)紅外激光 LPBF 3D打印設(shè)備的純銅粉末材料。

熱處理工藝被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)銅和鋁合金完全導(dǎo)電性的關(guān)鍵。對(duì)于高純度材料，除了熱等靜壓 (HIP) 處理外，低密度純銅樣品的電導(dǎo)率通過(guò)爐內(nèi)退火獲得提高。根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，對(duì)3D打印零件進(jìn)行直接時(shí)效硬化 (DAH)，是提升銅LPBF增材制造可行性的方式。這種熱處理的應(yīng)用產(chǎn)生了細(xì)小的 Cr 析出物，增加了硬度和 UTS（從 287 到 466 MPa），而延展性略有下降。有的研究團(tuán)隊(duì)，增材制造了密度接近 97.9% 的 Cu-Cr-Zr-Ti 銅合金樣件，并對(duì)樣件進(jìn)行固溶退火和時(shí)效處理，導(dǎo)致了細(xì)長(zhǎng)晶粒擴(kuò)大。這些熱處理通常用于提高強(qiáng)度。固溶退火用于使合金元素固溶在銅基體中，而隨后的時(shí)效處理旨在形成進(jìn)一步強(qiáng)化的析出物。

圖 AM 導(dǎo)電材料的加工：(a) AlSi10Mg 合金中退火影響的微觀結(jié)構(gòu)變化 [136]，(b) 通過(guò) HIP 處理提高 BJ 粘結(jié)劑噴射金屬3D打印材料密度，(c) EBM 電子束金屬3D打印純銅的密度優(yōu)化（通過(guò)增加能量輸入）。

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