AM易道導(dǎo)語(yǔ)
銅，這個(gè)人類最早掌握的金屬之一，正在通過(guò)3D打印技術(shù)煥發(fā)出新的生命
力。
而3D打印，這個(gè)時(shí)代的弄潮兒，也在與這位老朋友的碰撞中找到了全新的應(yīng)用。
在北方一家數(shù)據(jù)中心，工程師給AM易道小心翼翼地捧出一塊造型奇特的散熱器。
這個(gè)仿生結(jié)構(gòu)內(nèi)部酷似珊瑚，但材質(zhì)是純銅，通過(guò)3D打印一次成型。
"這是我們最新的測(cè)試樣品，散熱性能比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)有所提升"。
這樣的場(chǎng)景，AM易道在過(guò)去一年里已經(jīng)見過(guò)很多次，也寫過(guò)文章：
而很多結(jié)構(gòu)除了不銹鋼、鋁合金之外，銅因?yàn)槠涓叩慕佑|散熱效率成為了不可忽視的主角，而舞臺(tái)后的導(dǎo)演，正是3D打印。
AM易道覺得要想全面理解銅3D打印的應(yīng)用方向不如讀一讀一篇2023年發(fā)表的綜述《Recent Advances in the 3D Printing of Pure Copper Functional Structures for Thermal Management Devices》。
AM易道認(rèn)為這篇文章不僅是一篇學(xué)術(shù)綜述，也是一份產(chǎn)業(yè)發(fā)展藏寶圖。
熱管理：發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸
從電動(dòng)汽車到數(shù)據(jù)中心，從航空航天到新能源設(shè)備，熱管理正成為制約發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。
以電動(dòng)汽車為例，原文圖8展示了一組觸目驚心的數(shù)據(jù)：在零下環(huán)境中，電動(dòng)汽車的續(xù)航損失可達(dá)15-30%。
例如，特斯拉Model 3在低溫環(huán)境下續(xù)航損失約17%，而大眾ID.4則高達(dá)30%。這還只是性能問(wèn)題的表層。
溫度對(duì)電池的輸出功率、充電性能、內(nèi)阻和使用壽命都有深遠(yuǎn)影響，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致熱失控引發(fā)火災(zāi)和爆炸風(fēng)險(xiǎn)。
根據(jù)文章介紹，熱管理設(shè)備主要包括四大類：散熱器(heat sinks)、熱交換器(heat exchangers)、熱管(heat pipes)和蒸汽室(vapor chambers)。
原文圖3詳細(xì)展示了這些設(shè)備的工作原理。
一個(gè)關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是：這些設(shè)備的性能很大程度上取決于其內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
為什么是銅？為什么是3D打?。?/strong>
銅作為導(dǎo)熱性能僅次于貴金屬的材料，一直是熱管理領(lǐng)域的首選。
但傳統(tǒng)加工方法難以制造出理想的復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這就是3D打印的用武之地。
文章通過(guò)圖1展示了傳統(tǒng)加工和3D打印制造的散熱器內(nèi)部通道結(jié)構(gòu)對(duì)比。
3D打印可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)，提供更大的傳熱面積，同時(shí)保證流體阻力最小。
傳統(tǒng)制造工藝面臨著明顯的局限。
原文圖7清晰展示：傳統(tǒng)的車削和線切割加工會(huì)導(dǎo)致多孔結(jié)構(gòu)被壓扁或堵塞，嚴(yán)重影響毛細(xì)效應(yīng)。
而3D打印則提供了突破口。
前面展示的 原文圖1對(duì)比展示了傳統(tǒng)加工和3D打印制造的散熱器內(nèi)部通道結(jié)構(gòu)差異：
3D打印可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)，在相同泵功率下提供高達(dá)120%的傳熱性能提升。
在工藝細(xì)節(jié)上，這些TPMS結(jié)構(gòu)的優(yōu)化還包括單元尺寸和形狀的精確控制。典型的Gyroid結(jié)構(gòu)單元尺寸在3-10mm之間，壁厚通?？刂圃?.3-0.7mm范圍，以平衡熱傳導(dǎo)和流體流動(dòng)性能。
而圖6展示的理想熱管芯結(jié)構(gòu)，需要精確控制的微觀形貌，這在傳統(tǒng)工藝下幾乎不可能。
3D打印的優(yōu)勢(shì)不僅體現(xiàn)在微觀結(jié)構(gòu)控制上，在宏觀應(yīng)用中同樣令人印象深刻。
原文圖9展示了一個(gè)極具說(shuō)服力的案例：空客A380的液壓閥塊。
通過(guò)3D打印技術(shù)，不僅實(shí)現(xiàn)了35%的減重，還將零件數(shù)量減少了10個(gè)。這個(gè)案例詮釋了3D打印在高端制造領(lǐng)域的革命性潛力。
增材制造技術(shù)全景
原文圖10展示了七大增材制造技術(shù)家族，這是理解3D打印銅工藝路線的重要基礎(chǔ)。
從粉末床熔融(PBF)到材料擠出(MEX)，從光固化(VAT)到粘結(jié)劑噴射(BJT)，每種技術(shù)都有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。在銅的加工中，這些技術(shù)展現(xiàn)出不同的應(yīng)用潛力。
熱管理設(shè)備的未來(lái)設(shè)計(jì)趨勢(shì)
讓我們來(lái)看看未來(lái)熱管理設(shè)備的發(fā)展方向。
上面段落的 原文圖4展示采用Gyroid和Schwarz-D等三周期最小曲面(TPMS)結(jié)構(gòu)的熱交換器，其傳熱性能比傳統(tǒng)直線通道提高了120%！
這種仿生結(jié)構(gòu)只有通過(guò)3D打印才能實(shí)現(xiàn)。
原文圖5則展示了另一個(gè)發(fā)現(xiàn)：通過(guò)大規(guī)模計(jì)算模擬優(yōu)化得到的自然對(duì)流散熱器形態(tài)呈現(xiàn)出分形樹狀結(jié)構(gòu)。
這種設(shè)計(jì)在各種工況下都展現(xiàn)出優(yōu)異的散熱性能。
技術(shù)挑戰(zhàn)、突破與進(jìn)展
純度控制：
原文圖11展示了一個(gè)重要發(fā)現(xiàn) - 4N(99.99%)和6N(99.9999%)純度的銅，其導(dǎo)熱性能可以相差一個(gè)數(shù)量級(jí)。
這說(shuō)明原材料純度控制至關(guān)重要。
激光技術(shù)突破：
傳統(tǒng)近紅外激光（1060nm）對(duì)銅的吸收率僅為5%左右。
原文圖2展示了一個(gè)嚴(yán)重后果：激光反射甚至?xí)p壞打印機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)。這促使了兩個(gè)技術(shù)方向的發(fā)展：
高功率激光器（400W以上）
短波長(zhǎng)激光器（綠光515nm、藍(lán)光450nm）
打開網(wǎng)易新聞 查看精彩圖片原文圖18直觀展示了不同金屬對(duì)不同波長(zhǎng)激光的吸收率對(duì)比，銅在近紅外區(qū)域表現(xiàn)最差，而在藍(lán)光(450nm)和綠光(515nm)區(qū)域吸收率顯著提高至約50%。
原文圖21和 原文圖22的對(duì)比清晰展示了不同激光工藝的差異：傳統(tǒng)近紅外激光和綠光激光在加工銅時(shí)表現(xiàn)出明顯不同的特征。
雖然綠光激光在表面質(zhì)量方面還有待提高，但其對(duì)銅的高吸收率優(yōu)勢(shì)顯著，為未來(lái)發(fā)展指明了方向。
而 原文圖27展示了藍(lán)光激光在加工純銅時(shí)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：更高的能量吸收率帶來(lái)了更穩(wěn)定的熔池行為。
而 原文圖28則通過(guò)直觀對(duì)比展示了NIR激光和綠光激光在打印質(zhì)量上的差異。這種多元化的技術(shù)路線為不同應(yīng)用場(chǎng)景提供了更多選擇。
對(duì)于激光波長(zhǎng)與金屬吸收率的物理機(jī)制解釋
AM易道在這里插一段解釋銅對(duì)不同波長(zhǎng)激光的吸收率差異源于其原子電子能級(jí)結(jié)構(gòu)和光子能量的關(guān)系。
如果解釋不準(zhǔn)確，也請(qǐng)專業(yè)讀者在評(píng)論區(qū)指正補(bǔ)充。
短波長(zhǎng)激光（如綠光515nm、藍(lán)光450nm）攜帶更高的光子能量，而長(zhǎng)波長(zhǎng)的近紅外激光（1060nm）光子能量較低。
具體來(lái)說(shuō)，銅對(duì)激光的吸收涉及三個(gè)關(guān)鍵機(jī)制：
自由電子吸收：
銅的導(dǎo)帶電子可以直接吸收激光能量。
當(dāng)激光波長(zhǎng)縮短，光子能量增加（E=hc/λ），能夠激發(fā)更多電子躍遷至更高能級(jí)，從而提高吸收效率。
在室溫下，綠光和藍(lán)光對(duì)銅的吸收率分別可達(dá)40-50%，而近紅外區(qū)域僅有5-10%。
表面等離子體共振：
短波長(zhǎng)激光更容易在銅表面激發(fā)等離子體共振，這種集體電子振蕩現(xiàn)象能顯著增強(qiáng)光能吸收。
當(dāng)入射光波長(zhǎng)接近銅的表面等離子體共振波長(zhǎng)（約400-550nm區(qū)域）時(shí)，吸收率會(huì)急劇提高。
帶間躍遷效應(yīng)：
銅在可見光區(qū)域有強(qiáng)烈的帶間躍遷，電子從d帶躍遷到s-p混合帶，這種躍遷在短波長(zhǎng)激光照射下更加明顯，增強(qiáng)了能量吸收。
這也解釋了為什么銅呈現(xiàn)特有的紅色：它反射紅光而吸收藍(lán)綠光。
正是由于這些物理機(jī)制，短波長(zhǎng)激光能夠在相對(duì)較低的功率下實(shí)現(xiàn)銅的高效熔化，大幅拓寬了工藝窗口。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，即使在相同光斑尺寸和功率密度條件下，綠光激光的能量吸收效率約為近紅外激光的5-8倍，這對(duì)精細(xì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定成形至關(guān)重要。
文章繼續(xù)：
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新：
原文圖4展示的三周期最小曲面(TPMS)結(jié)構(gòu)在傳熱性能上展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。
特別是在Gyroid和Schwarz-D結(jié)構(gòu)中，不僅提升了傳熱面積，還優(yōu)化了流體流動(dòng)路徑。
SLM銅打印案例與創(chuàng)新：
原文圖12展示了幾個(gè)令人印象深刻的案例，從復(fù)雜的散熱器到精細(xì)的熱交換器，都展現(xiàn)出極高的制造精度。
高精度薄壁結(jié)構(gòu)研究：
在薄壁結(jié)構(gòu)研究方面，最新進(jìn)展令人振奮。
原文圖13-15系統(tǒng)展示了薄壁結(jié)構(gòu)的研究過(guò)程：從基礎(chǔ)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)測(cè)試，到不同打印策略的對(duì)比，再到最終實(shí)現(xiàn)100微米級(jí)的精細(xì)結(jié)構(gòu)。
特別值得注意的是，上圖15展示的超短脈沖激光技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了70:1的超高縱橫比，這在傳統(tǒng)工藝中是難以想象的。
這種技術(shù)雖然功率較低(僅11-24W)，但能量密度極高，可達(dá)數(shù)百GW/cm2，能夠?qū)崿F(xiàn)極高精度加工。
原文圖19也展示了高精度薄壁結(jié)構(gòu)研究。
通過(guò)高精度激光成形，研究人員成功實(shí)現(xiàn)了100μm級(jí)的純銅薄壁結(jié)構(gòu)，相對(duì)密度高達(dá)99.6%，表面粗糙度Ra僅為3-5μm。
這種高質(zhì)量薄壁結(jié)構(gòu)對(duì)熱交換器性能至關(guān)重要。
工藝參數(shù)優(yōu)化與細(xì)節(jié)控制：
在3D打印純銅的過(guò)程中，工藝參數(shù)的精確控制至關(guān)重要。
文章通過(guò)多個(gè)詳細(xì)的數(shù)據(jù)對(duì)比（ 原文圖16），展示了不同工藝參數(shù)對(duì)打印質(zhì)量的影響。
特別是 原文圖17的分析揭示了激光工藝窗口的精確控制對(duì)于獲得高質(zhì)量打印件的重要性。
原文圖20則展示了短波長(zhǎng)激光相比近紅外激光在加工銅時(shí)的顯著優(yōu)勢(shì)。
光源之外的參數(shù)控制方面，圖25展示了一個(gè)常被忽視但極其關(guān)鍵的參數(shù)：打印傾斜角度。
不同傾斜角度會(huì)導(dǎo)致顯著不同的打印質(zhì)量，這對(duì)于復(fù)雜熱管理結(jié)構(gòu)的制造具有重要指導(dǎo)意義。
特別是在20-50度的過(guò)渡角度區(qū)間，需要特別的工藝策略來(lái)保證打印質(zhì)量。
原文圖26進(jìn)一步展示了高精度打印的微觀細(xì)節(jié)。
通過(guò)優(yōu)化掃描策略和能量輸入，研究人員成功實(shí)現(xiàn)了致密度高達(dá)99%以上的精細(xì)結(jié)構(gòu)。
這種高質(zhì)量的打印效果為熱管理設(shè)備的性能提升提供了可能。
新型工藝路線的突破：
除了傳統(tǒng)的激光選區(qū)熔化工藝，一些新型工藝路線也展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
原文圖23和圖24展示了基于燒結(jié)的工藝路線，包括材料擠出和光固化成型。
這些工藝在成本和規(guī)?；a(chǎn)方面具有優(yōu)勢(shì)。
特別引人注目的是 原文圖29展示的數(shù)字光處理（VPP）技術(shù)。
這種技術(shù)結(jié)合了光固化成型的高精度和金屬注射成型的成熟燒結(jié)工藝，能夠?qū)崿F(xiàn)高密度(95%)、高導(dǎo)電性(92% IACS)、高導(dǎo)熱性(92%銅標(biāo)準(zhǔn))的100μm薄壁結(jié)構(gòu)。
多孔結(jié)構(gòu)與熱管應(yīng)用：
在熱管應(yīng)用領(lǐng)域， 原文圖30和圖31展示了兩種不同的多孔結(jié)構(gòu)制備方法。
原文圖30展示了使用超短脈沖激光制造的泡沫銅結(jié)構(gòu)，孔隙率可控在36-60%范圍內(nèi)。
這些多孔結(jié)構(gòu)孔徑分布均勻，孔壁結(jié)構(gòu)完整，對(duì)毛細(xì)流動(dòng)特性至關(guān)重要。
原文圖31的AERO工藝則展示了另一種創(chuàng)新方法，通過(guò)氧化物還原實(shí)現(xiàn)可控的孔隙率，特別適合熱管的毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)應(yīng)用。
應(yīng)用前景展望
從前面的研究?jī)?nèi)容可以看出，3D打印純銅在散熱器、熱交換器等領(lǐng)域已經(jīng)展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。
特別是在電動(dòng)汽車、數(shù)據(jù)中心等高端應(yīng)用領(lǐng)域，其獨(dú)特的設(shè)計(jì)自由度和性能優(yōu)勢(shì)將帶來(lái)巨大改變。
電動(dòng)汽車領(lǐng)域：
文獻(xiàn)指出，電池最佳工作溫度區(qū)間為15-35℃，且電池組內(nèi)部溫差不應(yīng)超過(guò)5℃。
隨著快充技術(shù)發(fā)展，這個(gè)挑戰(zhàn)會(huì)更加嚴(yán)峻。
數(shù)據(jù)中心散熱：
現(xiàn)代計(jì)算芯片需要應(yīng)對(duì)高達(dá)300 W/cm2的散熱需求，相當(dāng)于在一平方厘米區(qū)域內(nèi)散去5個(gè)吹風(fēng)機(jī)的熱量。
新能源設(shè)備：
從太陽(yáng)能板到風(fēng)力發(fā)電，從氫能設(shè)備到核能裝置，高效熱管理都是關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。
AM易道總結(jié)與戰(zhàn)略展望
綜上所述，熱管理設(shè)備的性能需求將隨著社會(huì)向數(shù)字化和節(jié)能方向發(fā)展而呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。
拓?fù)鋬?yōu)化的功能幾何結(jié)構(gòu)如仿生分支狀分形結(jié)構(gòu)、TPMS點(diǎn)陣和多孔泡沫等結(jié)構(gòu)已被納入較有潛力的解決方案。
雖然傳統(tǒng)制造工藝在物理實(shí)現(xiàn)這些幾何結(jié)構(gòu)方面存在局限，但增材制造提供了廣闊可能性，當(dāng)前已有多種解決方案可用于3D打印純銅。
從商業(yè)戰(zhàn)略角度看，我們可以預(yù)見隨著電動(dòng)車、高性能計(jì)算和可再生能源發(fā)展，對(duì)高性能熱管理解決方案的需求將激增。
能提供定制化、高熱效率散熱器、熱交換器和熱管的企業(yè)將占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位。
AM易道認(rèn)為不同類型的激光光束的增材制造和基于燒結(jié)的增材制造各有優(yōu)勢(shì)。
企業(yè)可根據(jù)自身積累以及應(yīng)用需求和產(chǎn)量選擇合適技術(shù)路線。
那些能夠?qū)⒆钋把氐牟牧峡茖W(xué)、激光工藝、拓?fù)鋬?yōu)化和應(yīng)用工程融為一體的企業(yè)，將在這場(chǎng)熱管理革命中脫穎而出。
正如銅在人類文明中扮演的關(guān)鍵角色一樣，3D打印銅制造或?qū)⒊蔀橥苿?dòng)新工業(yè)革命的重要力量。
文章出處
本文內(nèi)容主要基于以下研究綜述：
Choong, Y.H.; Krishnan, M.; Gupta, M. Recent Advances in the 3D Printing of Pure Copper Functional Structures for Thermal Management Devices. Technologies 2023, 11, 141.
DOI: https://doi.org/10.3390/technologies11050141
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