Er kobberlegering egnet for 3D-printing av formkjølesystemer?

1. Den viktigste ytelsesfordelen med kobberlegering er at den kan lede varme og motstå varme på samme tid.
De viktigste tingene som formkjølesystemet må gjøre, er å kvitte seg med varmen raskt og kunne jobbe under høyt-trykk og høye-temperaturinnstillinger. Kobberlegering er et flott materiale for 3D-utskriftskjølesystemer siden det har store fysiske kvaliteter.
Svært høy varmeledningsevne: Rent kobber har en varmeledningsevne på 401 W/(m · K), som er 8 til 10 ganger høyere enn for formstål. Selv etter å ha blitt behandlet med en legering (som CuCrZr-legering), holder dens varmeledningsevne mellom 200 og 300 W/(m · K), som er mye høyere enn standard kjølematerialer. Denne egenskapen lar kobberlegeringskjølesystemet raskt kvitte seg med muggvarme, noe som forkorter støpesyklusen. Etter å ha brukt kobberlegering 3D-trykte kjølevannskanaler for en bestemt bilstøtfangerform, gikk tiden det tok å lage ett stykke fra 18 sekunder til 12 sekunder, og mengden energi som ble brukt gikk ned med 22 %.
Motstand mot varmetretthet: Formens overflatetemperatur endres mye i situasjoner med høyt trykk og hastighet. Kobberlegering er langt mer motstandsdyktig mot termisk tretthet enn stål, og dens termiske ekspansjonskoeffisient passer godt til formstål. Dette reduserer sannsynligheten for sprekkdannelse på grunn av termisk stress. Etter 10 000 sykluser ved en høy temperatur på 600 grader viser eksperimentelle data at CuCrZr-legeringen fortsatt har mer enn 90 % av sin opprinnelige styrke. Levetiden er mer enn tre ganger så lang som typiske muggsopp.
Kobberlegeringer er naturlig motstandsdyktige mot kloridioner, sulfider og andre etsende stoffer i kjølevæsken. De er spesielt gode for korrosive situasjoner som marineteknikk og kjemiske former. Tilsetning av små mengder nikkel, zirkonium og andre elementer kan gjøre det enda mer motstandsdyktig mot korrosjon og hjelpe kjølesystemet til å vare lenger.
2. 3D-utskriftsprosess-tilpasning: overvinne begrensningene ved konvensjonell produksjon
Det er to hovedproblemer med tradisjonell kobberlegeringsbehandling: For det første gjør den høye termiske ledningsevnen til det smeltede bassenget det raskt å miste varme, noe som kan forårsake feil som delaminering og krølling; For det andre gjør den høye reflektiviteten (opptil 98 % for en 1064nm laser) det vanskelig å bruke typisk SLM-teknologi. Prosessinnovasjon har hjulpet 3D-utskriftsteknologi med å overvinne flere problemer:
Grønn laser SLM-teknologi: En grønn laser med bølgelengde på 515 nm øker kobbers absorpsjonshastighet for grønt lys til 40 %, som er 8 ganger høyere enn for en nær-infrarød laser. TruPrint 5000 grønnversjonsutstyret fra det tyske firmaet Tongkuai kan skrive ut RF-kvadrupolakseleratorer i rent kobber med en tetthet på 99,95 % og en ledningsevne på 100 % IACS. Ved å justere konsentrasjonspunktet (25 μm) og skannetilnærming, gjør denne teknologien utskrift av kobberlegering tre ganger mer effektiv enn eksisterende metoder.
Elektronstrålesmelting (EBM)-teknologi bruker en elektronstråle som varmekilde for å unngå problemer med høy reflektivitet og en vakuumatmosfære for å stoppe kobber fra å oksidere. Overflateruheten Ra til kobberlegeringsdeler trykt av EBM er mindre enn eller lik 6,3 μm, noe som betyr at de kan brukes umiddelbart for presisjonsformer uten ekstra prosedyrer. Men denne teknologien koster mye å sette opp, og foreløpig brukes den mest i avanserte områder som romfart.
Laserrettet energiavsetning (LP-DED): Problemet med "sveisestreng" i produksjon av kobberlegeringstilsetninger løses ved å "øke laserenergien." Ved utskrift av CuCrZr-legering brukte forskerteamet fra Indian National Institute of Technology en lav effekt på 200W for de tre første lagene for å sikre at de festet seg til underlaget. De hevet deretter effekten til 1000W for å matche materialets varmeledningsevne, noe som førte til en tetthet på 97,47 % og en varmeledningsevne på 168,3 W/(m · K).
3. Et eksempel på hvordan en industri fungerer: å gå fra laboratoriet til produksjonslinjen
Teslas anlegg i Shanghai bruker et 3D--trykt kjølesystem i kobberlegering for å fikse enorme-formstøpeformer i bilindustrien. Det tar bare 72 timer å fikse muggskader og få produksjonen tilbake på rett spor, som er 90 % raskere enn vanlige reparasjonsprosesser. Den konforme kjøledesignen gjør formtemperaturen jevnere med 80 % og produktkvalifiseringsgraden går opp fra 92 % til 98 %.
En mobiltelefonprodusent brukte 3D-utskrift av kobberlegering for raskt å lage prøveproduksjonsformer, som kuttet tiden det tar å utvikle en ny enhet fra 18 måneder til 12 måneder. Kjølevannskretsen har en topologi-optimalisert konstruksjon som gjør varmeoverføringen 120 % bedre ved samme pumpeeffekt. Dette reduserer sjansen for at produktet deformeres eller deformeres.
I romfartsområdet laget Ursa Major det første kobber-baserte 3D-trykte rakettforbrenningskammeret. Dens integrerte kjølekanaldesign senket temperaturen på forbrenningskammerveggen med 300 grader og vekten med 40%. Delen er bygget av CuCrZr-legering og har blitt testet 1000 ganger ved et trykk på 6MPa uten å gå i stykker, noe som beviser at 3D-trykt kobberlegering er pålitelig under tøffe forhold.