銅3D打印相關(guān)知識

魔猴君  知識堂   45天前

銅以其紅橙色調(diào)而聞名，因其卓越的物理特性而成為一種受歡迎的金屬。這些特性使其成為從電子產(chǎn)品到最終組件制造等多種行業(yè)的關(guān)鍵組件。隨著3D打印的進(jìn)步，銅找到了新的應(yīng)用領(lǐng)域，能夠創(chuàng)建以前難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜的定制設(shè)計(jì)。為了更好地了解這種金屬的特性、它給3D打印零件帶來的好處以及市場上的主要制造商，請閱讀本文。

材質(zhì)特性

銅（Cu），原子序數(shù)為29，是一種化學(xué)元素。它是世界上第三大使用最廣泛的金屬，僅次于鐵和鋁，并且是增材制造領(lǐng)域越來越受歡迎的選擇。銅的受歡迎是由于其有趣的特性，尤其是其導(dǎo)電性。由于其良好的導(dǎo)電性、延展性和延展性，它是制造電氣元件最常用的金屬之一。如果我們關(guān)注其在3D打印中的應(yīng)用，我們會發(fā)現(xiàn)不同的銅基合金，但它們之間略有差異。下面我們列出了一些最常見的合金及其具體特性：

Cu（純銅）：導(dǎo)電導(dǎo)熱性能優(yōu)良，用于電器元件；

CuCrZr（銅鉻鋯）：提高抗變形能力和硬度；

CuCP（磷化銅）：耐腐蝕，延展性好；

CuSn（鍍錫銅）：提高耐腐蝕性和硬度；

CuNi30（銅鎳30）：提供耐腐蝕性和改進(jìn)的機(jī)械性能。

銅粉（照片來源：Inoxia）

這種材料的提取始于礦山（地表或地下），從地下提取銅礦石。開采后，礦石被壓碎和研磨，將其粉碎成更小的顆粒，從而更容易從其他礦物中釋放出銅。隨后，經(jīng)過濃縮、熔煉或電化學(xué)精煉等一系列過程，將原礦石轉(zhuǎn)化為純度較高或較低的金屬及其合金。正是在這個(gè)轉(zhuǎn)變階段，銅的形式（粉末或線材）將被定義用于增材制造。

銅的3D打印

如前所述，銅具有良好的耐腐蝕性，可延長印刷部件在惡劣環(huán)境中的使用壽命。此外，通過適當(dāng)?shù)墓に噧?yōu)化，它可以表現(xiàn)出有競爭力的機(jī)械性能，包括硬度和耐磨性。然而，3D打印銅也帶來了挑戰(zhàn)。例如，其相對較低的熔點(diǎn)會使材料難以熔化并影響層間粘合的質(zhì)量。此外，銅的高導(dǎo)熱性會導(dǎo)致冷卻過程中出現(xiàn)翹曲問題，影響零件的尺寸精度。盡管如此，這種用于增材制造的金屬使得為最苛刻的行業(yè)制造零件成為可能。

如今有許多與銅兼容的3D打印技術(shù)，最常見的是基于粉末系統(tǒng)的。首先，金屬粉末床增材制造（L-PBF、DMLS或SLM）是一種用于用幾乎所有金屬合金（包括銅）制造最終零件和原型的工藝。該技術(shù)的質(zhì)量、強(qiáng)度和密度均遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)技術(shù)。電子束熔化，也稱為EBM（電子束熔化），是一種與銅合金兼容的選項(xiàng)，非常適合高端原型制作和小批量生產(chǎn)。

3D打印銅零件（照片來源：EOS）

由于粘合劑噴射工藝可以加工粉末材料，因此還可以制造銅零件。盡管純銅是一種很難用這種方法加工成高密度的材料，但一些公司已經(jīng)開發(fā)了自己的解決方案來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。因此，在使用這種導(dǎo)電金屬制造零件時(shí)，我們可以受益于增材制造的幾何自由度和降低的成本。

另一種與銅兼容的增材制造技術(shù)是集中能量沉積（DED）。根據(jù)機(jī)器的不同，金屬可以是粉末或線材形式。與其他金屬技術(shù)不同，DED 3D打印依賴于通過實(shí)時(shí)熔化過程添加材料，這使得創(chuàng)建復(fù)雜幾何形狀具有極大的靈活性，并且能夠修復(fù)現(xiàn)有組件。

最后，有兩種技術(shù)通常用于塑料材料，但也有某些例外可以制造銅零件。這些是擠壓3D打印(FFF/FDM)和還原光聚合。首先，Markforged開發(fā)了能夠使用金屬絲的擠壓解決方案。Metal X就是這種情況，這是一款FFF 3D打印機(jī)，能夠處理金屬粉末，金屬粉末封裝在塑料粘合劑中，逐層沉積。打印后，需要清洗部件并將其放入烤箱中，以熱去除剩余的粘合劑并賦予其所有特性。關(guān)于第二種技術(shù)，Holo、Admatec或Incus等公司已經(jīng)開發(fā)了自己的金屬3D打印機(jī)，與銅兼容并基于液體光刻制造。

主要應(yīng)用

鑒于銅具有吸引人的特性，其應(yīng)用領(lǐng)域有望廣泛。無論使用何種增材技術(shù)，很明顯，銅因其高導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性而脫穎而出。這就是為什么許多公司使用這種材料來制造需要良好導(dǎo)電性的組件，例如感應(yīng)線圈、電動汽車電機(jī)繞組、電磁線圈、波導(dǎo)和天線等。

此外，它對于散熱和熱交換部件來說是一種非常有用的金屬，例如冷卻板、散熱器和熱管、溫度交換器、冷卻裝置、成型冷卻模具嵌件等。最后，在航空航天工業(yè)中，這種金屬材料通常用于推進(jìn)系統(tǒng)和火箭發(fā)動機(jī)零件。

機(jī)械和銅制造商

根據(jù)制造銅零件所使用的技術(shù)，金屬可以有不同的形式（主要是粉末和線材）。目前有幾家公司正在增材制造市場上提供銅合金。其中包括Sandvik、H?gan?s、Safina和Mitsubishi Materials，還有EOS、3D Systems和Elementum。

市場上有許多公司在開發(fā)銅合金，同時(shí)也在開發(fā)與銅兼容的增材制造解決方案（照片來源：Beamler）。

除了材料本身之外，值得一提的是已經(jīng)開發(fā)出與這種金屬兼容的增材制造解決方案的公司。我們可以提到已經(jīng)提到過的Markforged、Holo、Admatec、Incus和3D Systems。但還有許多其他公司，例如Colibrium Additive（以前稱為GE Additive）、Desktop Metal with ExOne、SLM Solutions、雷尼紹、Optomec和DMG Mori，該列表并不詳盡。

編譯整理：3dnatives