銅3D打印技術(shù)能否成為新能源汽車新一代熱交換技術(shù)的助推器？
魔猴君 行業(yè)資訊 1571天前
新能源汽車對(duì)工況提出了更高的要求，3D打印技術(shù)制造新能源汽車零部件的切入點(diǎn)是輕量化和熱管理。在車輛的熱管理領(lǐng)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(duì)氣流進(jìn)行被動(dòng)冷卻，這種散熱器能夠通過傳統(tǒng)工藝實(shí)現(xiàn)。然而，這種被動(dòng)散熱方式難以滿足新能源電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)的熱交換器求。這是由于電動(dòng)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(dòng)冷卻系統(tǒng)。粉末床熔融（PBF）增材制造技術(shù)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(shù)與具有出色導(dǎo)熱性能的銅相結(jié)合，為電動(dòng)汽車熱交換器技術(shù)的提升帶來巨大的想象空間。然而，銅金屬材料極佳的導(dǎo)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(yīng)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(dòng)力。本期，魔猴網(wǎng)就與大家共同探討幾種推動(dòng)銅3D打印應(yīng)用的因素。
被動(dòng)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(shù)
基于粉末床熔融工藝的金屬3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜設(shè)計(jì)，釋放設(shè)計(jì)的自由度，這一技術(shù)在熱交換器制造中的應(yīng)用，使得設(shè)計(jì)師能夠使用高級(jí)設(shè)計(jì)策略，例如使用漸變、可變密度的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，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(jiǎn)而言之，面向增材制造的設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)在熱負(fù)荷高的位置用密度較高的結(jié)構(gòu)材料，從而實(shí)現(xiàn)輕量化與冷卻性能的平衡。
純銅具有出色的導(dǎo)熱性，是極佳的散熱組件制造材料，其應(yīng)用涵蓋從微電子產(chǎn)品到注塑模具鑲件的廣泛領(lǐng)域。
基于以上兩點(diǎn)，我們不難理解，如能將具有出色導(dǎo)熱性能的銅與面向增材制造的先進(jìn)換熱器設(shè)計(jì)相結(jié)合，將為制造輕量化、高性能換熱器帶來更多可能。
然而實(shí)際應(yīng)用中卻存在著挑戰(zhàn)。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。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(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。因此，盡管具有出色的導(dǎo)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(shù)的發(fā)展變化中，銅與先進(jìn)增材制造設(shè)計(jì)的結(jié)合具備了更高的可行性。
l 激光器的改變
市場(chǎng)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(huì)增加反沖壓力、汽化、飛濺和相關(guān)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(xì)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(guó)Fraunhofer ILT研究所 開展了“SLM綠色”項(xiàng)目，發(fā)現(xiàn)與現(xiàn)有方法相比，“SLM綠色”項(xiàng)目旨在“顯著提高細(xì)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(dāng)前的粉末床激光熔化技術(shù)所采用的激光器通常在光的紅外光譜范圍內(nèi)運(yùn)行，這就是為什么銅的低吸收率會(huì)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(zhǎng)相比更短，波長(zhǎng)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。Fraunhofer ILT正在創(chuàng)建更均勻的熔池動(dòng)力學(xué)，以便建立高材料密度的組件，并獲得更高的細(xì)節(jié)分辨率。
2018 年，島津公司擬（日本）實(shí)現(xiàn)了其 BLUE IMPACT 藍(lán)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(xué)合作開發(fā)的，是日本國(guó)家項(xiàng)目的一部分。
BLUE IMPACT 激光器結(jié)合了日亞化學(xué)公司（日本）的許多氮化鎵(GaN)藍(lán)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(gè)數(shù)量級(jí)。島津 450 納米藍(lán)色二極管激光器的一個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用是銅材料的 3D 打印。
銅對(duì)藍(lán)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(duì)傳統(tǒng)的紅外激光器是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。新研發(fā)的 3D 打印機(jī)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(jìn)行熔融。
銅合金組分的比例可以通過平衡電導(dǎo)率和孔隙率來實(shí)現(xiàn)定制的材料性能。基于選區(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(dòng)機(jī)制造與點(diǎn)火測(cè)試全過程。來源：3T
銅合金3D打印技術(shù)的應(yīng)用已在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)制造領(lǐng)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(dòng)機(jī)部件，材料為Cucrzr，這款發(fā)動(dòng)機(jī)集成了復(fù)雜冷卻通道，這一設(shè)計(jì)將使發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻效率得到提升。這一應(yīng)用體現(xiàn)了銅合金與增材制造復(fù)雜設(shè)計(jì)相結(jié)合所帶來的熱管理性能的提升。
金屬3D打印企業(yè)SLM Solutions 驗(yàn)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(dǎo)率和導(dǎo)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(shù)
粉末床電子束熔融
銅吸收能量的能力隨能源的波長(zhǎng)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(shì)。在不影響高電導(dǎo)率或?qū)崧实那闆r下，能夠以純銅生產(chǎn)獨(dú)特、復(fù)雜的幾何形狀的能力適合于眾多領(lǐng)域，包括汽車行業(yè)或正在尋找的電連接器、感應(yīng)線圈和熱交換器應(yīng)用。
純銅3D打印樣件。來源：GE Additive
純銅增材制造還存在著進(jìn)一步的提升空間。根據(jù)魔猴網(wǎng)的市場(chǎng)觀察，美國(guó)SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室、北卡羅來納州立大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究人員，正在通過改善銅粉末表面質(zhì)量和電子束熔融（EBM）3D打印技術(shù)，克服純銅材料增材制造領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。
他們?cè)谘芯窟^程中設(shè)計(jì)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(hào)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(duì)于加速器應(yīng)用而言，銅通常需要達(dá)到或超過1級(jí)無(wú)氧電子（OFE）銅的ASTM F68的要求，這些設(shè)備需要極高的質(zhì)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(tuán)隊(duì)首先改善材料的表面質(zhì)量，使用更細(xì)的銅粉并改變將層融合在一起。但是，使用更細(xì)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(tuán)隊(duì)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(jié)合成水蒸氣，并將其驅(qū)離粉末。研究團(tuán)隊(duì)表示，在銅部件的傳統(tǒng)制造中，水蒸氣的形成會(huì)在材料內(nèi)部產(chǎn)生高壓蒸汽泡，材料會(huì)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(jī)適用的銅打印解決方案使得3D打印純銅變得非常簡(jiǎn)單。借助Markforged Metal X系統(tǒng)，用戶可以輕松制造具有高導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率的復(fù)雜零件，而這些零件以前是昂貴、費(fèi)時(shí)或無(wú)法制造的。Markforged銅材料含大于99.8％的純銅，具有出色的導(dǎo)熱性和導(dǎo)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(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。
Markforged所開發(fā)的3D打印銅金屬工藝，將有望解決電動(dòng)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。
在這些技術(shù)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(jié)合面向增材制造的設(shè)計(jì)，將加速新能源汽車等領(lǐng)域換熱器產(chǎn)品的創(chuàng)新。
來源：3D科學(xué)谷
