德国Fraunhofer IWS研究所使用一种新型增材制造系统处理金属几乎没有缺陷

德国弗劳恩霍夫材料与光束技术研究所(IWS)研发了一种绿色激光器,其波长比典型的红外激光器短,可以在增材制造过程中熔化铜粉,使过去纯铜无法实现的新生产方法成为可能。

传统增材制造过程中功率高达500瓦的红外(ʎ= 1064 nm)激光束的效率不足以完全熔化铜,仅30%的能量到达了铜材料而其余的被反射。而在最大功率为500瓦的绿色激光(ʎ= 515 nm)下,铜粉吸收了超过70%的能量,并完全熔化,从而可用于增材制造。由于具有更高的单位体积导电率,增材制造的铜零件将优于许多铝零件的解决方案,特别是在需要小型设计和高性能的地方。通过这一技术,使通过增材制造为航空航天和汽车行业制造出纯铜或铜合金的复杂组件成为可能。

使用3D打印机创建形状复杂的塑料部件不再是一个具有挑战性的过程,而是一种日常技术。然而当材料是纯铜时,这种情况就大不相同了。直到现在,当专业人员使用红外激光一层一层地制造复杂的组件时,红外激光还无法完全熔化这种低熔点金属。但是现在,位于德国Dresden的研究所Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology (IWS)正在使用一种新型增材制造系统,这个系统使用短波长、绿色激光处理金属并且几乎没有缺陷。

IWS说,这种特性可以使基于纯铜的新的生产方法得以实现,而在这以前是无法实现的。因此,由纯铜和铜合金制造的复杂部件可以运用在航空航天和汽车工业中,并且电机和热交换器的效率也可以提高。Fraunhofer IWS 现在可以设计和制造具有出色导电性和热性的纯铜组件。例如,这些组件可实现更高效率的电机和应用于电力电子器件中的新型散热器。

此外,将这种技术应用于线圈和电感器生产也可以得以实现。生产过程中增加铜组件特别适用于小安装空间、高效率、高性能的紧凑型设备。例如,可以制造用于未来电力电子领域的更高效、更紧凑的散热器,以及用于卫星电子驱动的特定线圈、空间推进系统的冷却系统 和许多其他部件。

图1新型增材制造系统能够完全融化纯铜粉。Fraunhofer IWS Dresden 供图
图1新型增材制造系统能够完全融化纯铜粉。Fraunhofer IWS Dresden 供图
德国Fraunhofer IWS研究所使用一种新型增材制造系统处理金属几乎没有缺陷 图2复杂的铜组件可以一层一层制成。Fraunhofer IWS Dresden 供图
图2复杂的铜组件可以一层一层制成。Fraunhofer IWS Dresden 供图

难得的性能

新的激光束熔化系统在Saxony是独一无二的,在德国只有很少类似的系统。这个系统采用的是波长为515nm 高能量绿光的薄片激光器,而不是波长为 1064 nm 的红外光激光器。作为 IWS 的研究助理监督该项目的Samira Gruber表示:“之前的多次重复的实验结果一致表明,高达500瓦的红外激光束源都不足以完全熔化铜。”只有30%的能量到达铜材料,其余的能量都被金属反射。但是,功率最大为 500 瓦的新绿色激光器提供了不同的解决方案。这种情况下,铜粉可吸收 70% 以上的能量,并完全熔化,进而允许其应用于增材制造。

由于铜的导电性和导热性很好,因此如果这种金属也可以在增材制造系统中得以加工,这会是一项重大的改进。Fraunhofer IWS 的增材制造部门主管Elena Lopez表示:“纯铜和铜合金制成的组件在航空航天、电子和汽车行业中发挥着重要作用,例如电子驱动器或者是热交换器。由于具有更高的单位体积导电率,增材制造的铜部件优于许多用铝的解决方案。任何领域不管多么小型的设计或者多高的性能要求,铜部件都可满足,这一点非常有趣。”

如今许多铜部件已经可以被加工、锻造或铸造。然而,增材制造工艺的应用为铜材料产生高度复杂的几何形状提供了新的选择,而传统制造根本无法实现这些几何形状。

AM与Saxony的研究人员共同合作

新的Fraunhofer IWS 设备是通过“Smart Production and Materials”性能中心来实现的。该中心由Technische Universit?t Chemnitz、Technische Universit?t Dresden和Fraunhofer Institutes IWS、ENAS、IWU 以及IKTS联合组成,所有这些机构都在研究工业4.0的创新技术和材料。配备绿色激光器的Trumpf TruPrint1000 激光加工机器位于Dresden增材制造中心 (Additive Manufacturing Center Dresden,AMCD)。来自TU Dresden的IWS工程师和科学家们在这个中心就增材制造工艺以及其它开创性技术的研究展开合作。[optics]

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