銅3D打印技術能否成為新能源汽車新一代熱交換技術的助推器？
魔猴君 行業(yè)資訊 1665天前
新能源汽車對工況提出了更高的要求，3D打印技術制造新能源汽車零部件的切入點是輕量化和熱管理。在車輛的熱管理領域，比較常規(guī)的散熱方式是使用一種成本低且有效的散熱器對氣流進行被動冷卻，這種散熱器能夠通過傳統(tǒng)工藝實現(xiàn)。然而，這種被動散熱方式難以滿足新能源電動汽車電池系統(tǒng)的熱交換器求。這是由于電動汽車中的電池系統(tǒng)是為整輛車提供電力的，需要采用輸入冷卻液體的主動冷卻系統(tǒng)。粉末床熔融（PBF）增材制造技術為制造使得緊湊、高效的新一代熱交換器成為可能，如果將金屬3D打印技術與具有出色導熱性能的銅相結合，為電動汽車熱交換器技術的提升帶來巨大的想象空間。然而，銅金屬材料極佳的導熱性、反射性以及高延展性，也給增材制造與后處理工作帶來了挑戰(zhàn)，也增加了銅3D打印熱交換器的應用難度。
但這些挑戰(zhàn)也成為增材制造銅金屬材料、打印工藝的提升帶來了動力。本期，魔猴網(wǎng)就與大家共同探討幾種推動銅3D打印應用的因素。
被動式3D打印銅散熱片。來源: nTopology
多樣化發(fā)展的銅金屬增材制造技術
基于粉末床熔融工藝的金屬3D打印技術能夠實現(xiàn)復雜設計，釋放設計的自由度，這一技術在熱交換器制造中的應用，使得設計師能夠使用高級設計策略，例如使用漸變、可變密度的點陣結構，在有限空間內(nèi)增加熱交換器的表面積，提升熱交換性能。簡而言之，面向增材制造的設計，能夠實現(xiàn)在熱負荷高的位置用密度較高的結構材料，從而實現(xiàn)輕量化與冷卻性能的平衡。
純銅具有出色的導熱性，是極佳的散熱組件制造材料，其應用涵蓋從微電子產(chǎn)品到注塑模具鑲件的廣泛領域。
基于以上兩點，我們不難理解，如能將具有出色導熱性能的銅與面向增材制造的先進換熱器設計相結合，將為制造輕量化、高性能換熱器帶來更多可能。
然而實際應用中卻存在著挑戰(zhàn)。由于銅的導熱性和反射性極佳，這使得銅金屬在3D打印機內(nèi)部難以操作。尤其在選區(qū)激光熔融3D打印工藝中，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，從而導致成形效率低，冶金質量難以控制等問題。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。因此，盡管具有出色的導熱性，銅金屬并沒有成為增材制造的首選材料。
不過在銅金屬增材制造技術的發(fā)展變化中，銅與先進增材制造設計的結合具備了更高的可行性。
l 激光器的改變
市場上多數(shù)選區(qū)激光熔化3D打印系統(tǒng)中使用的激光器的銅吸收率低，因此必須使用大功率激光器，然而這會增加反沖壓力、汽化、飛濺和相關缺陷。[1] 不過利好的是，新型激光器的出現(xiàn)，提高了銅增材制造的細節(jié)分辨率以及純銅增材制造的能力。
《銅金屬3D打印白皮書》。來源：魔猴網(wǎng)
德國Fraunhofer ILT研究所 開展了“SLM綠色”項目，發(fā)現(xiàn)與現(xiàn)有方法相比，“SLM綠色”項目旨在“顯著提高細節(jié)分辨率以及更高的成本效益”。最具特色的是激光的顏色是綠色的。
根據(jù)Fraunhofer ILT，當前的粉末床激光熔化技術所采用的激光器通常在光的紅外光譜范圍內(nèi)運行，這就是為什么銅的低吸收率會發(fā)生，而且光的能量不能有效地熔化銅金屬。在綠色激光器中，與1μm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工藝制造更加精細的部件。Fraunhofer ILT正在創(chuàng)建更均勻的熔池動力學，以便建立高材料密度的組件，并獲得更高的細節(jié)分辨率。
2018 年，島津公司擬（日本）實現(xiàn)了其 BLUE IMPACT 藍光沖擊二極管激光器的商業(yè)化，這種激光器可以在高亮度下產(chǎn)生 100 瓦的功率。這款產(chǎn)品是島津公司與日本大阪大學合作開發(fā)的，是日本國家項目的一部分。
BLUE IMPACT 激光器結合了日亞化學公司（日本）的許多氮化鎵(GaN)藍色激光二極管，自 2006 年以來效率提高了一倍，輸出功率提高了一個數(shù)量級。島津 450 納米藍色二極管激光器的一個關鍵應用是銅材料的 3D 打印。
銅對藍色激光的吸收率很高，背反射的減少可以使加工過程變快，這對傳統(tǒng)的紅外激光器是一個嚴峻的挑戰(zhàn)。新研發(fā)的 3D 打印機可以用純銅粉高效打印物體。
l 增材制造銅合金材料
常見選區(qū)激光熔化3D 打印工藝中，一般采用銅合金粉末來代替純銅，例如 CuCrZr、CuNi3Si 等。銅合金材料允許使用常用的紅光激光器進行熔融。
銅合金組分的比例可以通過平衡電導率和孔隙率來實現(xiàn)定制的材料性能?；谶x區(qū)激光熔化工藝的銅合金3D打印材料與工藝在近年來得到了發(fā)展。
3D打印銅合金火箭發(fā)動機制造與點火測試全過程。來源：3T
銅合金3D打印技術的應用已在火箭發(fā)動機制造領域得到了發(fā)展。小型火箭制造商Launcher 與3T和EOS合作開發(fā)了3D打印銅合金火箭發(fā)動機部件，材料為Cucrzr，這款發(fā)動機集成了復雜冷卻通道，這一設計將使發(fā)動機冷卻效率得到提升。這一應用體現(xiàn)了銅合金與增材制造復雜設計相結合所帶來的熱管理性能的提升。
金屬3D打印企業(yè)SLM Solutions 驗證通過了一種用于選區(qū)激光熔化3D打印的銅合金材料-CuNi2SiCr ，并確立了這款材料的理想打印參數(shù)。銅合金CuNi2SiCr 是一種可熱硬化的合金，具有高剛度以及電導率和導熱率的平衡組合的特征。該合金中包括鎳和硅成分，具有很高的耐腐蝕性和耐磨性。
l 多樣化的純銅3D打印技術
粉末床電子束熔融
銅吸收能量的能力隨能源的波長而變化。根據(jù)GE公司的描述，純銅從電子束熔融工藝中吸收80％的能量，而在紅色激光束中僅吸收2％的能量。就熔化能力以及最終提高生產(chǎn)率而言，這為粉末床電子束熔融（EBM）3D打印提供了優(yōu)勢。在不影響高電導率或導熱率的情況下，能夠以純銅生產(chǎn)獨特、復雜的幾何形狀的能力適合于眾多領域，包括汽車行業(yè)或正在尋找的電連接器、感應線圈和熱交換器應用。
純銅3D打印樣件。來源：GE Additive
純銅增材制造還存在著進一步的提升空間。根據(jù)魔猴網(wǎng)的市場觀察，美國SLAC國家加速器實驗室、北卡羅來納州立大學等機構的研究人員，正在通過改善銅粉末表面質量和電子束熔融（EBM）3D打印技術，克服純銅材料增材制造領域的挑戰(zhàn)。
他們在研究過程中設計了一款集成內(nèi)部冷卻通道的速降管組件，速降管是一種可放大射頻信號的專用真空管，這一功能集成組件的熱傳遞性能得到改善。對于加速器應用而言，銅通常需要達到或超過1級無氧電子（OFE）銅的ASTM F68的要求，這些設備需要極高的質量和純凈的材料，以避免零件故障（例如破裂或真空泄漏）。
研究團隊首先改善材料的表面質量，使用更細的銅粉并改變將層融合在一起。但是，使用更細的銅粉使更多的氧氣附著在銅粉上，增加了每層中的氧化物，使打印物體的純度降低。研究團隊需要找到降低銅粉中氧氣含量的方法，他們采用的方法是通過氫氣將氧氣結合成水蒸氣，并將其驅離粉末。研究團隊表示，在銅部件的傳統(tǒng)制造中，水蒸氣的形成會在材料內(nèi)部產(chǎn)生高壓蒸汽泡，材料會起泡并破裂，然而在增材制造過程中，水蒸氣逐層逸出，從而能夠更為有效的釋放出水蒸氣。
純銅的間接3D打印
Markforged推出了其金屬X打印機適用的銅打印解決方案使得3D打印純銅變得非常簡單。借助Markforged Metal X系統(tǒng)，用戶可以輕松制造具有高導電率和導熱率的復雜零件，而這些零件以前是昂貴、費時或無法制造的。Markforged銅材料含大于99.8％的純銅，具有出色的導熱性和導電性以及高延展性。
純銅3D打印
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造部件，這個過程只是在熔化塑料，而不是在熔化銅。然后，將銅放入燒結爐中，將其中的塑料材料去除。
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，實現(xiàn)更經(jīng)濟更復雜更高效的銅零件生產(chǎn)，從而有望應用于例如轉子、散熱器、感應器等零件的制造中。
在這些技術的助推下，銅合金、純銅的增材制造變得更為成熟，也為制造高性能銅金屬熱交換器做了鋪墊。結合面向增材制造的設計，將加速新能源汽車等領域換熱器產(chǎn)品的創(chuàng)新。
來源：3D科學谷
