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解决方案

绿色激光熔化纯铜

星之球科技来源:国际工业激光商情2020-11-15我要评论(0)

如今,3D打印技术不仅可以制作形状复杂的塑料艺术品,还被广泛应用于各行各业。但纯铜和塑料却不同,现在还不能使用红外激光对纯铜实现完全熔化,以构建复杂的工件。对...

如今,3D打印技术不仅可以制作形状复杂的塑料艺术品,还被广泛应用于各行各业。但纯铜和塑料却不同,现在还不能使用红外激光对纯铜实现完全熔化,以构建复杂的工件。对此,位于德国亚琛的弗劳恩霍夫材料与束技术研究所(FraunhoferIWS),采用了一种新型的增材制造系统,其装载的短波绿色激光束能轻松熔化铜。


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新的增材制造系统完全融化了纯铜粉


通过使用该技术,使以前无法构建的铜制工件成为可能。至此,未来由纯铜、铜合金材质构成的复杂部件,也将被应用于航空航天、自动化等工业领域,为提高电动机和热交换器效率提供了保障。


如今,弗劳恩霍夫材料与束技术研究所通过全新的增材制造系统,设计制造兼具导热性和导电性的纯铜制件。在电子电力行业,这些纯铜组件能提供更高效的电动机和散热器。并且,纯铜组件在线圈和传感器上的应用也变得有可能。通过增材制造生产的铜组件,特别适合安装在紧凑型设备里,同时保证高效率和高性能。例如未来电子电力设备中的高效散热器,以及卫星电力驱动使用的特制线圈,太空推进系统的冷却系统等。


配备同等设备的研究机构屈指可数


在萨克森,这种全新的激光束熔化系统还是独一无二的,甚至在德国其他地方也不多见。替代1064nm红外波长,该系统采用的是515nm高能量密度的盘状绿色激光束。“以往的实验表明,即使红外激光功率达到500W,还是不能有效熔化纯铜制件,”该项目负责人SamiraGruber表示。


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德累斯顿增材制造中心的“TruPrint1000”设备


实际上,采用红外激光对铜件进行作业时,只有30%的激光能量进入工件内部,其余大部分能量被铜反射掉。但用500W绿光激光加工时,却得到了不一样的结果。这次铜件吸收了70%的激光能量,从而实现了理想的熔化效果,这也将大大提升增材制造领域中铜件的参与率。


纯铜是导电和导热的绝佳材料


因为铜具有优异的导电性和导热性,所以如果在增材制造领域能广泛应用,铜件也将发挥其最大优势。“当前在航空航天、电子、汽车行业,铜件或是铜合金制件扮演着十分重要的角色,”研究所增材制造设备带头人ElenaLopez对此强调。


Elena Lopez进一步谈到:“相比传统铝制工艺方法,通过增材制造生产的铜件在特定体积的电导性上表现得更为出色,这也是生产高性能小型设备厂商非常感兴趣的地方。目前,铜件在机械加工、铸件领域中应用广泛,然而增材制造技术将重新诠释加工工艺,为制造复杂几何形状的工件提供解决方案。”


紧凑高效的设计带来更高的性能


“现在,由增材制造带来的几何外形灵活性的增加,为进一步延长铜质组件的冷却能力提供了机会,从而延长了铜质组件整体的使用寿命,”SamiraGruber解释道。据悉,研究人员采用的方法是,重新设计激光器的冷却通道,从而让作业中的液体和气体压力损失降至最低,让更多的激光能量被工件表面吸收。


增材制造:萨克森研究人员参与其中


研究所的这项新设备是通过“智能制造与材料”工艺中心发布的。该中心是由开姆尼茨工业大学(TechnischeUniversitätChemnitz)、德累斯顿工业大学(TechnischeUniversitätDresden)和弗劳恩霍夫材料与束技术研究所(FraunhoferInstitutesIWS)联合发起的,其中心成员还有像ENAS、IWU、IKTS,该中心旨在推动创新工业制造和工业4.0。


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复杂的铜零件是逐层制造的,例如散热器


目前这台“TruPrint1000”机器装备在德累斯顿增材制造中心(AdditiveManufacturingCenterDresden)。未来,研究人员将与德累斯顿的科学家们一起,在增材制造工艺研发上继续投入。



延伸阅读


纯铜及铜合金由于极好的导电、导热、耐腐蚀性及韧性等特点,被广泛应用于电力、散热、管道、装饰等领域,有的铜合金材料因具有良好的导电、导热性和较高强度,被广泛应用于电子制造、航空、航天发动机燃烧室部件。


早在2015年,NASA就取得了铜合金部件3D打印方面的进展,制造技术是选区激光熔化3D打印,打印材料为GRCo-84铜合金。NASA用这项技术制造的3D打印零件为火箭燃烧室衬里,该部件总共分为8255层,逐层打印,打印总耗时10天零18个小时。


这个铜合金燃烧室零部件内外壁之间具有200多个复杂的通道,制造这些微小的、具有复杂几何形状的内部通道,即使对增材制造技术来说也是一大挑战。部件打印完成后,NASA的研究人员使用电子束自由制造设备为其涂覆一层含镍的超合金。NASA的最终目标是要使火箭发动机零部件的制造速度大幅提升,同时至少降低50%的制造成本。


铜感应器线圈


一般来说,电感应器中的电感线圈需要经历若干机械制造工序。线圈通过手动弯曲和焊接达到想要的形状,其中小块铜(管)被放在一起并焊接,焊接是一个耗时的过程并且导致大量的生产成本产生。


几何形状越复杂的电感线圈,需要焊接的单个元件越多。当为了获得所需的几何形状而需要彼此相邻的多个焊点时,必须使用几种具有不同熔点的焊接剂,以便在施加第二焊料时第一焊料不会松动。


手工制造的电感器的工作时间和质量不能满足行业不断增长的需求。而通过金属增材制造,可以实现优质的零件,这些零件具有高度复杂的几何形状,从而满足规模生产的需求。没有焊接接头的3D打印电感器需要更少的能量,具有更高的效率并且可以实现均匀的硬化结果。


铜热交换器


粉末床熔化增材制造技术为制造使得紧凑、高效的新一代热交换器成为可能,如果将金属3D打印技术与具有出色导热性能的铜相结合,为电动汽车热交换器技术的提升带来巨大的想象空间。随着铜合金、纯铜的增材制造变得更为成熟,也为制造高性能铜金属热交换器做了铺垫。结合面向增材制造的设计,将加速新能源汽车等领域换热器产品的创新。(延伸阅读部分来源“3D科学谷”)


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