铜电感器线圈是许多行业的关键组件，合格的铜电感器线圈需满足电导率、可焊性、能耗等严格性能要求。
传统方式制造的电感应器仍存在制造痛点。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。并且焊接点都会破坏电流并导致性能下降。电感器的效率不仅受焊接接头的影响，而且还受到电感器几何形状的限制。
3D科学谷即将分享的GKN增材制造部门与3D打印铜电感线圈用户开展的仿真分析与测试实验结果，对于3D打印铜电感器线圈在工业中的应用具有参考意义。本期的内容为上篇-3D打印铜电感器线圈的仿真分析。传统电感器线圈与3D打印铜电感器线圈实验测试以及分析结果将在下篇进行分享。
更高耐用性
热处理提升电导率
纯铜材料具有高导电性，但对粉末床激光熔化增材制造提出了挑战。纯铜的高反射率导致该材料难以通过基于红外激光的金属3D打印技术进行制造。GKN针对粉末床激光熔化3D打印技术开发了CuCr1Zr铜合金粉末，在高导电率和粉末床激光熔化增材制造工艺的适应性上做出平衡。
CuCr1Zr材料机械性能概述，从左到右依次为增材制造CuCr1Zr，增材制造与热处理的CuCr1Zr，纯铜。来源：GKN
根据GKN增材制造提供的数据，CuCr1Zr材料的强度优于纯铜。就电导率而言，CuCr1Zr铜合金的导电率是纯铜的23％，但是在完成3D打印后，对3D打印零件进行热处理，则能够实现更高的导电率。GKN对其3D打印铜电感器线圈进行热处理后，能够达到纯铜电导率的90％。
与纯铜的电导率相比，经热处理的CuCr1Zr的电导率约为90％。来源：GKN
面向增材制造的设计提升性能
在设计3D打印线圈时，GKN考虑了粉末床激光熔化技术所产生的几何形状和设计自由度如何提高材料的特性，从而在性能、耐用性、效率和成本方面，比传统工艺制造的纯铜线圈（焊接或弯曲）更具优势。
他们将其中一个3D打印的铜线圈与手工弯曲的纯铜线圈进行了感应淬火仿真分析，展示了3D打印铜电感器线圈获得更好结果的多种方式。实验中对两种感应线圈版本都保持相同的边界条件、磁激励和仿真频率。如下图所示，仅看设计外观可以看到两种设计的明显区别，传统线圈为圆形管结构，3D打印线圈为方形管结构。
传统纯铜线圈（左），3D打印铜合金线圈(右)。来源：GKN
3D打印线圈的几何形状能够对性能做出许多改善。首先，集成空心方形线圈增加了冷却面积，从而延长了线圈的使用寿命并降低了能耗。传统弯曲的线圈需要的电流值为1,A，而3D打印的线圈仅需要的电流为1,A。
在此样本中，由增材制造线圈激发产生的磁场比常规线圈产生的磁场更具穿透性。增材制造线圈硬化层的厚度大于常规线圈的硬化层。（边界条件和负载：f=kHz，相同的磁激励）。来源：GKN
该仿真结果表明，与常规线圈相比3D打印铜线圈的励磁磁场穿透得更深，这种更深的磁激励意味着硬化层的厚度也增加。
如果通过3D打印技术制造传统设计，则线圈的性能可能不符合传统线圈的标准，但是通过面向增材制造的设计，3D打印线圈可以实现性能的提升。
可重复性和更高使用寿命
作为一种工业应用产品，3D打印铜电感器线圈需要符合公差要求，增材制造工艺需能够实现质量可重复性。
电感器的磁场完全适合增材制造组件。来源：GKN
GKN通过先进的测试证明，3D打印铜合金可以实现按照ISOmK级公差并且具有RZ40微米的表面粗糙度。
GKN开发了从材料、先进设计、打印、质量控制的完整3D打印铜线圈增材制造工艺，并结合ADDvantage生产软件，来实现质量的可重复性。这一数字化的制造方式表现出色比传统焊接、弯曲工艺更高的重复性。与焊接线圈相比3D打印线圈的耐用性至少是弯曲线圈的两倍，这是因为整个结构的壁厚是一致的，而弯曲线圈则显示出弱点和弯曲处较薄的壁厚。
—上篇完—
下篇将分享传统电感器线圈与3D打印铜电感器线圈实验测试以及分析结果。
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