純銅及銅合金由于極好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐腐蝕性及韌性等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電力、散熱、管道、裝飾等領(lǐng)域，有的銅合金材料因具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性和較高強(qiáng)度，被廣泛應(yīng)用于制造航空、航天發(fā)動機(jī)燃燒室部件。但是隨著應(yīng)用端對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的需求增多，傳統(tǒng)加工工藝已逐漸無法滿足需求。

       近日，美國的Markforged公司推出了一種成功3D打印銅零件的方法。這一工藝有望被廣泛的應(yīng)用于電動汽車等制造領(lǐng)域。

3D打印銅。來源：Markforged

 更經(jīng)濟(jì)更復(fù)雜的銅零件

        由于銅的導(dǎo)熱性和反射性極佳，這使得銅金屬在3D打印機(jī)內(nèi)部難以操作。雖然當(dāng)前選擇性激光熔化（SLM）3D打印技術(shù)可以用于制造銅金屬粉末材料。但是銅金屬在激光熔化的過程中，吸收率低，激光難以持續(xù)熔化銅金屬粉末，從而導(dǎo)致成形效率低，冶金質(zhì)量難以控制等問題。此外，銅的高延展性給去除多余粉末這樣的后處理工作增加了難度。

      之前，F(xiàn)raunhofer ILT推出了綠色激光器解決方案，與1μm波長的波長相比更短，波長在515nm。這意味著更少的激光功率輸出，此外，激光束可以更精確地聚焦，使其能夠使用新的SLM工藝制造更加精細(xì)的部件。

      不過Markforged公司的銅3D打印工藝與Fraunhofer ILT推出了綠色激光器解決方案并不相同，與粉末床選區(qū)激光熔化金屬3D打印工藝相區(qū)別，Markforged使用的是擠出式的3D打印技術(shù)，通過解決以前無法解決的挑戰(zhàn)，來降低汽車生產(chǎn)制造成本，同時(shí)提高電動汽車電機(jī)的效率。

        在電動汽車方面，電力驅(qū)動及控制系統(tǒng)是電動汽車的核心，也是區(qū)別于內(nèi)燃機(jī)汽車的最大不同點(diǎn)。電力驅(qū)動及控制系統(tǒng)由驅(qū)動電動機(jī)、電源和電動機(jī)控制裝置等組成。電動汽車的其他裝置基本與內(nèi)燃機(jī)汽車相同。電力驅(qū)動子系統(tǒng)由電控單元、控制器、電動機(jī)、機(jī)械傳動裝置和驅(qū)動車輪組成。主能源子系統(tǒng)由主能源、能量管理系統(tǒng)和充電系統(tǒng)構(gòu)成。輔助控制子系統(tǒng)具有動力轉(zhuǎn)向、溫度控制和輔助動力供給等功能。

3D打印銅的潛力應(yīng)用之一。來源：3D科學(xué)谷《銅金屬3D打印白皮書》

       使用鑄銅轉(zhuǎn)子的電動機(jī)可以幫助普通感應(yīng)式電動機(jī)有效降低電動機(jī)的轉(zhuǎn)子損耗，從而幫助提高電動機(jī)的效率，在電動機(jī)損耗降低的同時(shí)，由于轉(zhuǎn)化為熱能的能量減少，從而使得轉(zhuǎn)子以及定子線圈溫度降低。Markforged所開發(fā)的3D打印銅金屬工藝，將有望解決電動汽車鑄銅零件鑄造和釬焊的挑戰(zhàn)，替代鑄造與釬焊，實(shí)現(xiàn)更經(jīng)濟(jì)更復(fù)雜更高效的銅零件生產(chǎn)，從而有望應(yīng)用于例如轉(zhuǎn)子、散熱器、感應(yīng)器等零件的制造中。

      與選區(qū)激光金屬熔化3D打印工藝相區(qū)別，Markforged所開發(fā)的3D打印銅金屬工藝將銅與塑料材料混合成銅絲，然后通過擠出熔融的方式逐層構(gòu)造部件，這個(gè)過程只是在熔化塑料，而不是在熔化銅。然后，將銅放入燒結(jié)爐中，將其中的塑料材料去除。

       3D打印提供了在經(jīng)濟(jì)上制造較小、更復(fù)雜、高公差零件的能力，目前，汽車制造商如何在節(jié)省成本的同時(shí)提高質(zhì)量的一個(gè)例子是通過Markforged的工藝3D打印銅焊柄，該焊柄用于點(diǎn)焊車身零件。大多數(shù)大型汽車制造廠可能會從外部供應(yīng)商處購買多達(dá)100萬美元的備用刀柄。而如果制造商可以自己制造更小、更緊湊的焊柄，則可以在更狹窄的空間焊接，這意味著可以使用更少的點(diǎn)焊，因?yàn)榭梢允购缚p更接近想要的位置，這對高性能汽車非常有用。

3D打印銅焊柄。來源：Markforged

  一家制造商已經(jīng)通過Markforged的工藝3D打印銅焊柄進(jìn)行了數(shù)千次試焊，零件交貨時(shí)間減少了12倍，零件成本減少了6倍。

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