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初識高導電率銅

高導電率銅合金在軍工、航空航天、艦船制造、高鐵、地鐵、電動汽車、通訊設備等領域廣泛應用，但我國每年需要的高導電銅合金50%依靠進口。該材料在航空航天、艦船等應用，由于導電性能更優秀，所需材料少，可減輕航空器和艦船等本體重量，節材降耗，還能再多裝載其他設備等；用于互聯網、通訊設備等，信息傳遞速度更快；應用于電動汽車電池，比現在的電池一次充電能多跑10—20公里等；用于海底電纜，由于安全和耐腐耐用，使用年限更長，節省了電纜更換的巨額費用等。

高導電銅的應用

銅金屬3D打印技術主要被應用在航空、國防領域，美國Aerojet Rocketdyne研發的RL10液氫燃料火箭發動機中就使用了3D打印的銅合金推力室部件。美國航天局NASA 在銅質發動機燃燒室內襯3D打印方面也取得了突破，打印材料為GRCo-84銅合金。

銅以其延展性而聞名，是金屬3D打印機看似理想的打印材料。此外，金屬表現出僅次于銀的導熱率水平，并且高導電性使其適用于工業應用。

但銅合金的激光3D打印卻不是一件容易的事情，我們所周知的原因如下：

1）銅合金和金銀一樣，導熱性能良好、比熱容小、浸濕性能差、表面有堅硬的氧化膜，對光斑的反射率較大，這就使得激光產生的熱量在其表面不易停留，直接熔覆功能涂層難以實現；做激光的太容易理解這一點了，銅合金反射鏡就是在激光中的典型應用。

2）銅合金基體與涂層的材料體系之間的性能差別很大，使用過程中的界面失效問題要得到一定的重視，在中間要有相應的過渡層連接；銅合金、金銀的延展性好，大家也是太熟悉不過了，

3）涂層內韌性不足，熱裂和應力等缺陷存在于涂層內部。

由于銅的導熱性和反射性極佳，這使得銅金屬在3D打印機內部難以操作。但是銅金屬在激光熔化的過程中，吸收率低，激光難以持續熔化銅金屬粉末，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。

“根據表面性質，”弗勞恩霍夫激光技術研究所（Fraunhofer ILT）快速制造小組研究員Daniel Heussen解釋說，“純銅會反射高達90％的激光輻射。”

“根據表面性質的不同，”Fraunhofer ILT快速制造集團研究員Daniel Heussen解釋說，“純銅在常規使用的1μm激光波長中反射高達90％的激光輻射能量。”

綠色SLM

為了解決銅對激光的高反射問題，Heussen和他的同事們正在推出“SLM綠色”項目，旨在改變3D打印機在銅粉末床上加工所遇到的挑戰。

ILT Heussen和同事們正在開展“綠色SLM”項目，尋求改變3D打印機從銅粉末床上制造物體的方式

形狀記憶合金的實際應用：

(a) Hydraulic tube-couplings,

(b) Electric circuit breaker,

(d) Simon filter,

(e) eye glass frame,

(f) spacer and

(g) robotic arm （印度AshishAgrawal等人）

中國礦業大學的Yue Zhang等人進行了Cu50Zr50的SLM研究，如下圖顯示了在掃描時溫度的分布變化。

SLM加工過程中溫度的分布變化，其中紅色的區域和箭頭是激光所在的區域

（中國礦業大學的Yue Zhang等人）

進行Cu50Zr50 合金SLM研究時結構的演變： (a) 俯視圖和截面圖； (b) 詳細的區域放大圖（中國礦業大學的Yue Zhang等人）

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另外據報道，日本6大工業機器人開發商之一的Daihen公司和日本國家技術研究所（大阪府）最近似乎已經聯合找到了解決之道 — 通過使用銅合金粉末和傳統的M2金屬3D打印機，他們開發出了一種叫做3D層壓成型的新方法。而據江蘇激光聯盟秘書處了解，這種方法的主要優點就是既能實現銅的3D成型，又能很大程度上保證其不會失去原有屬性（主要是導電性和導熱性）。事實上根據研究者的說法，如果重點關注導電性，這種方法最高可實現打印件90%的純銅率，并且還能將銅的抗拉伸性能“植入”到打印件當中！不過除此之外，這種技術也有其它優點，比如在制造單獨部件上能顯著縮短時間，從而提高效率，降低成本。基于上述優點，這種新技術有望在航空航天，汽車和醫療等許多領域得到廣泛應用。而事實上，其開發團隊已經利用它取得了一些成果，比如3D打印出了以往很難通過3D打印制造出的疊層激光器，以及成功改造了大電流水冷柜，令其冷卻性能明顯提高，尺寸和重量卻明顯下降。