使用 3D 打印機(jī)創(chuàng)建形狀復(fù)雜的塑料部件不再是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的過(guò)程，而是一種日常技術(shù)。然而當(dāng)材料是純銅時(shí)，這種情況就大不相同了。直到現(xiàn)在，當(dāng)專業(yè)人員使用紅外激光一層一層地制造復(fù)雜的組件時(shí)，紅外激光還無(wú)法完全熔化這種低熔點(diǎn)金屬。但是現(xiàn)在，德國(guó)弗勞恩霍夫材料與光束技術(shù)研究所 （IWS）正在使用一種新型增材制造系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)使用短波長(zhǎng)、綠色激光處理金屬并且?guī)缀鯖](méi)有缺陷。

圖1  新型增材制造系統(tǒng)能夠完全融化純銅粉

IWS報(bào)道，這種特性可以使基于純銅的新的生產(chǎn)方法得以實(shí)現(xiàn)，而在這以前是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。因此，由純銅和銅合金制造的復(fù)雜部件可以運(yùn)用在航空航天和汽車工業(yè)中，并且電機(jī)和熱交換器的效率也可以提高。研究所現(xiàn)在可以設(shè)計(jì)和制造具有出色導(dǎo)電性和熱性的純銅組件。例如，這些組件可實(shí)現(xiàn)更高效率的電機(jī)和應(yīng)用于電力電子器件中的新型散熱器。

此外，將這種技術(shù)應(yīng)用于線圈和電感器生產(chǎn)也可以得以實(shí)現(xiàn)。生產(chǎn)過(guò)程中增加銅組件特別適用于小安裝空間、高效率、高性能的緊湊型設(shè)備。例如，可以制造用于未來(lái)電力電子領(lǐng)域的更高效、更緊湊的散熱器，以及用于衛(wèi)星電子驅(qū)動(dòng)的特定線圈、空間推進(jìn)系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)和許多其他部件。

圖2  復(fù)雜的銅組件可以一層一層制成

新的激光束熔化系統(tǒng)在薩克森州是獨(dú)一無(wú)二的，在德國(guó)只有很少類似的系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)采用的是波長(zhǎng)為515nm 高能量綠光的薄片激光器，而不是波長(zhǎng)為 1064 nm 的紅外光激光器。作為 IWS 的研究助理監(jiān)督該項(xiàng)目的Samira Gruber表示：“之前的多次重復(fù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致表明，高達(dá)500瓦的紅外激光束源都不足以完全熔化銅。”只有30%的能量到達(dá)銅材料，其余的能量都被金屬反射。但是，功率最大為 500 瓦的新綠色激光器提供了不同的解決方案。這種情況下，銅粉可吸收 70% 以上的能量，并完全熔化，進(jìn)而允許其應(yīng)用于增材制造。

由于銅的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性很好，因此如果這種金屬也可以在增材制造系統(tǒng)中得以加工，這會(huì)是一項(xiàng)重大的改進(jìn)。研究所的增材制造部門主管Elena Lopez表示：“純銅和銅合金制成的組件在航空航天、電子和汽車行業(yè)中發(fā)揮著重要作用，例如電子驅(qū)動(dòng)器或者是熱交換器。由于具有更高的單位體積導(dǎo)電率，增材制造的銅部件優(yōu)于許多用鋁的解決方案。任何領(lǐng)域不管多么小型的設(shè)計(jì)或者多高的性能要求，銅部件都可滿足，這一點(diǎn)非常有趣。”

如今許多銅部件已經(jīng)可以被加工、鍛造或鑄造。然而，增材制造工藝的應(yīng)用為銅材料產(chǎn)生高度復(fù)雜的幾何形狀提供了新的選擇，而傳統(tǒng)制造根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)這些幾何形狀。

研究所新的設(shè)備是通過(guò)“Smart Production and Materials”性能中心來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該中心由德國(guó)開(kāi)姆尼茨工業(yè)大學(xué)、德累斯頓工業(yè)大學(xué)、弗勞恩霍夫研究所IWS、ENAS、IWU和IKTS聯(lián)合組成，所有這些機(jī)構(gòu)都在研究工業(yè)4.0的創(chuàng)新技術(shù)和材料。配備綠色激光器的Trumpf TruPrint1000 激光加工機(jī)器位于薩克森州增材制造中心 (Additive Manufacturing Center Dresden，AMCD)。來(lái)自德累斯頓工業(yè)大學(xué)的IWS工程師和科學(xué)家們?cè)谶@個(gè)中心就增材制造工藝以及其它開(kāi)創(chuàng)性技術(shù)的研究展開(kāi)合作。