铜 (Cu) 作为一种韧性金属，具有良好的耐腐蚀性、低化学反应性、非凡的机械加工性和成型性以及高导电。由于这些独特的特性，纯铜在生产用于电子、散热器、增压空气冷却器和热交换器等多种应用的设备以及电子封装、汽车和建筑行业等各种工业领域的设备方面受到了广泛关注。

3D打印电机
 3D打印的优势与挑战

     在电机中，导电材料用于以最小的焦耳热维持电机内的电流。这些损耗主要发生在电机电磁铁循环通电的定子绕组内。与焦耳损耗相关的主要本征材料特性是电导率或其倒数 – 材料电阻率。对用于电机导体制造的 AM 增材制造方法的兴趣是双重的：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绕组轮廓，其次，它能够将机电组件集成到多材料组件中。

由于最常用的电导体材料是铜，其他材料的电导率通常被量化为相对于退火铜的电导率。即1913年制定的国际退火铜标准（IACS），将100% IACS定义为纯铜的电导率：20°C时为5.8×107 S/m。其他常见纯导电金属的相对电导率达到106%银为 72%，金为 72%，铝为 62% IACS。还值得注意的是，由于制造方法的进步，现代合金可以实现比 IACS 标准略高的电导率：例如无氧高电导率铜合金达到 102% 的相对电导率。

驱动电机组成
      与磁性材料不同，目前市场上标准的激光熔化L-PBF金属3D打印系统并不最适合高导电材料的 AM-增材制造成型。这是由于铜和铝在典型的 L-PBF 激光红外波长（1000-1100 nm）下的高反射率，导致能量吸收低（低于铜能量吸收的 2%）和粉末的无效熔化。

I 挑战

纯铜和铜金属的增材制造应用存在的挑战包括以下几点：

• 由于铜及其合金的高电导率和热导率增加了从熔池到周围区域的热传递率，并产生高热梯度和不利后果。
• 对于激光增材制造来说，高激光反射率是另一个最重要的问题。
• 快速传热和高反射率都阻碍了激光功率的吸收，导致高孔隙率和较差的机械、热和电性能。此外，铜的延展性会对粉末去除和回收后产生负面影响 ，可能是因为在此阶段构建的铜片很容易变形。
• 铜对氧化的高敏感性使粉末处理变得复杂。

 铜的3D打印

       目前主要有四种途径加工铜金属，一种是PBF金属3D打印技术类别中的EBM电子束熔化金属3D打印技术；一种是PBF金属3D打印技术类别中的L-PBF激光选区熔化金属3D打印；一种是BJ粘结剂喷射金属3D打印；第四种是FDM挤出式3D打印，不过根据3D科学谷的市场研究，当前FDM挤出式3D打印铜合金的电导率还不足以满足电机的应用。

3D打印铜
      针对铜对激光的反射特点，克服粉末床激光铜增材制造挑战的思路是调整激光波长。较大的波长会降低激光吸收率，而随着较短的激光波长而增加。波长约为 520 nm 的绿色和蓝色激光将激光吸收率提高到 40%

      通过电子束熔化（Cu 吸收大约80% 的能量）或绿色和蓝色激光熔化（Cu吸收高于40%的能量），可以实现更有效的金属粉末熔化。值得注意的是，铜是出色的电导体通常也是出色的热导体，这会带来额外的3D打印挑战。在 PBF 金属粉末熔化3D打印工艺中，这会导致热能从熔池中快速传导出来，从而导致局部热梯度很高，可能导致分层、变形和零件故障。

        3D打印的铜金属相对密度和电导率之间大致呈线性关系——范围从~50-60% IACS（相对密度~85%）到~96-102% IACS（接近全密度）。根据3D科学谷的了解，目前通过电子束EBM金属3D打印可获得高达102% IACS的电导率，通过绿色激光的选区金属熔化金属3D打印 L-PBF 技术可获得高达98.6%的电导率。

此外，使用高功率 2000W（1070 nm 激光）L-PBF 3D打印系统打印的 Cu-Cr合金表现出接近等效的 98% IACS 电导率。

如前所述，市场上大多数可用的 L-PBF 系统（通常为 400 W 及以下）都难以熔化纯铜。对于低功率 L-PBF 打印，使用涂层颗粒可以获得最佳效果——以提高对激光能量的吸收。根据3D科学谷的市场观察，通过材料来实现纯铜粉末床激光熔化增材制造的技术已进入到商业化阶段。例如，位于太仓的德怡科技（Infinite Flex ）提供可用于标准红外激光 LPBF 3D打印设备的纯铜粉末材料。

热处理工艺被认为是实现铜和铝合金完全导电性的关键。对于高纯度材料，除了热等静压 (HIP) 处理外，低密度纯铜样品的电导率通过炉内退火获得提高。根据3D科学谷的了解，对3D打印零件进行直接时效硬化 (DAH)，是提升铜LPBF增材制造可行性的方式。这种热处理的应用产生了细小的 Cr 析出物，增加了硬度和 UTS（从 287 到 466 MPa），而延展性略有下降。有的研究团队，增材制造了密度接近 97.9% 的 Cu-Cr-Zr-Ti 铜合金样件，并对样件进行固溶退火和时效处理，导致了细长晶粒扩大。这些热处理通常用于提高强度。固溶退火用于使合金元素固溶在铜基体中，而随后的时效处理旨在形成进一步强化的析出物。

图 AM 导电材料的加工：(a) AlSi10Mg 合金中退火影响的微观结构变化 [136]，(b) 通过 HIP 处理提高 BJ 粘结剂喷射金属3D打印材料密度，(c) EBM 电子束金属3D打印纯铜的密度优化（通过增加能量输入）。

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