銅 (Cu) 作為一種韌性金屬，具有良好的耐腐蝕性、低化學反應性、非凡的機械加工性和成型性以及高導電。由于這些獨特的特性，純銅在生產用于電子、散熱器、增壓空氣冷卻器和熱交換器等多種應用的設備以及電子封裝、汽車和建筑行業等各種工業領域的設備方面受到了廣泛關注。

3D打印電機
 3D打印的優勢與挑戰

     在電機中，導電材料用于以最小的焦耳熱維持電機內的電流。這些損耗主要發生在電機電磁鐵循環通電的定子繞組內。與焦耳損耗相關的主要本征材料特性是電導率或其倒數 – 材料電阻率。對用于電機導體制造的 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，它能夠將機電組件集成到多材料組件中。

由于最常用的電導體材料是銅，其他材料的電導率通常被量化為相對于退火銅的電導率。即1913年制定的國際退火銅標準（IACS），將100% IACS定義為純銅的電導率：20°C時為5.8×107 S/m。其他常見純導電金屬的相對電導率達到106%銀為 72%，金為 72%，鋁為 62% IACS。還值得注意的是，由于制造方法的進步，現代合金可以實現比 IACS 標準略高的電導率：例如無氧高電導率銅合金達到 102% 的相對電導率。

驅動電機組成
      與磁性材料不同，目前市場上標準的激光熔化L-PBF金屬3D打印系統并不最適合高導電材料的 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（1000-1100 nm）下的高反射率，導致能量吸收低（低于銅能量吸收的 2%）和粉末的無效熔化。

I 挑戰

純銅和銅金屬的增材制造應用存在的挑戰包括以下幾點：

• 由于銅及其合金的高電導率和熱導率增加了從熔池到周圍區域的熱傳遞率，并產生高熱梯度和不利后果。
• 對于激光增材制造來說，高激光反射率是另一個最重要的問題。
• 快速傳熱和高反射率都阻礙了激光功率的吸收，導致高孔隙率和較差的機械、熱和電性能。此外，銅的延展性會對粉末去除和回收后產生負面影響 ，可能是因為在此階段構建的銅片很容易變形。
• 銅對氧化的高敏感性使粉末處理變得復雜。

 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打印技術類別中的EBM電子束熔化金屬3D打印技術；一種是PBF金屬3D打印技術類別中的L-PBF激光選區熔化金屬3D打印；一種是BJ粘結劑噴射金屬3D打印；第四種是FDM擠出式3D打印，不過根據3D科學谷的市場研究，當前FDM擠出式3D打印銅合金的電導率還不足以滿足電機的應用。

3D打印銅
      針對銅對激光的反射特點，克服粉末床激光銅增材制造挑戰的思路是調整激光波長。較大的波長會降低激光吸收率，而隨著較短的激光波長而增加。波長約為 520 nm 的綠色和藍色激光將激光吸收率提高到 40%

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

        3D打印的銅金屬相對密度和電導率之間大致呈線性關系——范圍從~50-60% IACS（相對密度~85%）到~96-102% IACS（接近全密度）。根據3D科學谷的了解，目前通過電子束EBM金屬3D打印可獲得高達102% IACS的電導率，通過綠色激光的選區金屬熔化金屬3D打印 L-PBF 技術可獲得高達98.6%的電導率。

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

如前所述，市場上大多數可用的 L-PBF 系統（通常為 400 W 及以下）都難以熔化純銅。對于低功率 L-PBF 打印，使用涂層顆粒可以獲得最佳效果——以提高對激光能量的吸收。根據3D科學谷的市場觀察，通過材料來實現純銅粉末床激光熔化增材制造的技術已進入到商業化階段。例如，位于太倉的德怡科技（Infinite Flex ）提供可用于標準紅外激光 LPBF 3D打印設備的純銅粉末材料。

熱處理工藝被認為是實現銅和鋁合金完全導電性的關鍵。對于高純度材料，除了熱等靜壓 (HIP) 處理外，低密度純銅樣品的電導率通過爐內退火獲得提高。根據3D科學谷的了解，對3D打印零件進行直接時效硬化 (DAH)，是提升銅LPBF增材制造可行性的方式。這種熱處理的應用產生了細小的 Cr 析出物，增加了硬度和 UTS（從 287 到 466 MPa），而延展性略有下降。有的研究團隊，增材制造了密度接近 97.9% 的 Cu-Cr-Zr-Ti 銅合金樣件，并對樣件進行固溶退火和時效處理，導致了細長晶粒擴大。這些熱處理通常用于提高強度。固溶退火用于使合金元素固溶在銅基體中，而隨后的時效處理旨在形成進一步強化的析出物。

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

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