銅3D打印–終極指南
魔猴君 知識堂 337天前
銅是金屬3D打印技術中發(fā)展最快的領域之一，從電機到散熱器，銅都是人們追捧的對象。
以前，由于銅的反光性和高導熱性，用銅進行3D打印是一項挑戰(zhàn)。3D打印機和材料的進步在很大程度上解決了這些早期難題。如今，3D打印銅推進系統(tǒng)可將火箭送入太空，3D打印銅散熱器可使CPU保持低溫，3D打印銅線圈可提高電機性能。
銅作為電機、充電基礎設施、太陽能和電池的重要組成部分，在全球可持續(xù)發(fā)展目標中發(fā)揮著巨大作用。事實上，標準普爾全球公司（S&P Global）2022年的一項研究預計，未來十年全球銅需求量將增長近一倍，而人們對銅礦的來源卻越來越關注。
總部位于加州的航空航天零部件制造商Launcher于2022年成功測試了其3D打印銅火箭發(fā)動機（來源：Launcher）
為什么要3D打印銅？
銅具有導熱、導電、抗腐蝕甚至殺死細菌和病毒的能力，因此一直是一種非常有用的金屬。隨著3D打印技術為這種金屬帶來更多應用和可能性，復雜銅制部件的需求也在不斷增長。
3D打印（也稱為快速成型制造）能夠制造出異常復雜的形狀、精細的細節(jié)、內部結構和晶格填充物，這是任何其他類型的金屬制造都無法實現(xiàn)的。這些功能可減輕重量、提高效率并縮短制造和裝配時間。與其他制造方法相比，3D打印所需的原材料更少，浪費也更少，此外，多部件組件可作為一個整體進行3D打印，這也在提高效率的同時減少了原材料的用量。對于對三維銅材打印感興趣的公司來說，降低原材料成本至關重要。
如果您已經在生產定制銅零件，那么您或許可以通過3D打印技術在優(yōu)化零件性能的同時大幅降低生產成本。此外，3D打印技術的另一大優(yōu)勢是可以生產用于測試的銅制零件原型，而無需像其他金屬制造方法那樣花費大量時間和金錢來制作模具。
3D打印銅的主要應用：
散熱器
熱交換器
感應線圈
電子設備
母線、發(fā)夾式定子、單線圈
天線
射頻屏蔽
射頻四極桿/導波板
這種3D打印射頻四極桿是所有加速器復合體中最復雜的部件之一（來源：Trumpf）
3D打印銅的最新進展
在過去的一年中，3D打印銅的兩種應用成為新聞焦點：火箭和醫(yī)療工具。
太空公司Ursa Major于去年7月交付了首個基于銅的3D打印火箭燃燒室。該公司表示，生產該部件只用了一個月時間，而傳統(tǒng)制造工藝通常需要六個月。自2015年美國國家航空航天局（NASA）首次打印出銅燃燒室襯墊以來，越來越多的太空公司開始使用3D打印銅，Ursa Major公司也加入了這一行列。
2023年2月，加拿大不列顛哥倫比亞理工學院與礦業(yè)公司泰克資源有限公司（Teck Resources Limited）聯(lián)合開設了泰克銅業(yè)創(chuàng)新中心（Teck Copper Innovation Hub）。該設施將容納研究人員調查和開發(fā)微生物銅在醫(yī)療保健設備（如假肢和矯形器）中的新用途。
去年年底，3D打印機制造商通快公司（Trumpf）宣布，其TruPrint 5000綠色版打印機已用于快速制造粒子加速器的一個關鍵銅部件（上圖），這讓人們更加期待這些研究工具的制造成本會越來越低。
請繼續(xù)閱讀以了解更多有關技術和3D打印機的信息，這些技術和3D打印機使工程師、制造商和設計師能夠重新想象銅的可能性。
Markforged的3D打印銅散熱器（來源：Markforged）
使用銅打印的3D打印機
并非每臺金屬3D打印機都能打印銅，還有在打印技術和價格方面仍有相當大的差異。
如今，經濟實惠的臺式FDM打印機使用銅填充塑料長絲，可以打印出幾乎100%含銅的銅飾品、裝飾品和其他部件。對于更先進的制造工藝，使用銅粉、銅棒或銅和聚合物漿料的3D打印機可生產出具有優(yōu)異機械和導電性能的工業(yè)零件，這些零件可達到IACS（國際退火銅標準）等國際標準。
讓我們來看看當今可處理銅的打印機類型。
1、銅粉床熔融3D打印機
Trumpf的TruPrint 1000綠色版3D打印機（來源：Trumpf）
粉末床融合是最流行的金屬3D打印方法，最近有幾家機器制造商在其材料選擇清單中引入了銅。由于銅具有高反射性，使用激光加工粉末對制造商來說是一個障礙。不過，這種技術和材料已經發(fā)展到可以應對挑戰(zhàn)的程度。
例如，3D打印機制造商Trumpf開發(fā)了一種工業(yè)用綠色激光器，可用于3D打印銅、銅合金和貴金屬等材料，而這些材料用紅外線波長很難加工。藍激光技術在銅加工方面也大有可為。
激光粉末床熔融（LPBF）和電子束熔融（EBM）這兩種金屬3D打印粉末床技術的工作原理是在打印機內的平臺頂部鋪上一層薄薄的銅粉。在激光或電子束追蹤部件第一層的同時，粉末被加熱。當層中的顆粒熔化后，平臺略微下降到構建室中，新的粉末沉積在上面，整個過程重復進行。該過程中剩余的一些銅粉可回收用于下一次打印。
GNK粉末冶金公司用于增材制造的銅粉（來源：GNK）
銅粉床融合3D打印機：
2、銅粘合劑噴射3D打印機
Digital Metal的P2500粘合劑噴射打印機也可以使用銅粉進行打印（來源：Digital Metal）
銅粉與液體結合劑結合，然后在熔爐中燒結，這是一種被稱為粘合劑噴射的3D打印方法，它可以在不需要支撐材料的情況下生產零件，從而節(jié)省材料和勞動力。粘合劑噴射是一種無熱工藝，在每層金屬之間噴射一層粘合劑，然后在燒結過程中去除粘合劑。
由于粘合劑噴射通常比基于激光的方法更快，但需要燒結步驟，因此是大量金屬零件增材制造的常用方法。
支持銅的粘結劑噴射3D打印機：
3、銅FDM和結合金屬沉積3D打印機
使用Markforged的Metal X打印機3D打印銅零件（來源：Markforged）
3D打印銅零件最經濟的方法是使用擠出長絲的機器。用于打印金屬零件的金屬絲由塑料基底和均勻注入的金屬顆粒組成。用于銅零件的注銅長絲是一種獨特的復合長絲，如果使用得當，可打印出堅固、耐化學腐蝕且近乎堅固的金屬零件。
幾乎所有帶有加熱床和硬化鋼噴嘴（溫度可達225oC）的熔融沉積成型（FDM）打印機都能使用銅粉填充聚合物長絲打印出近乎堅固的金屬零件。不過，剛從打印床上下來的部件并不是金屬，打印后還需要額外的步驟來融化聚合物粘合劑，只留下金屬。
目前，市場上唯一的選擇是長絲制造商The Virtual Foundry。
其他類型的銅絲內部有足夠的真銅顆粒，可以拋光并具有類似金屬的重量，但這些銅絲主要用于裝飾目的。
這款3D打印銅工具冷卻器由位于德累斯頓的PTZ Prototypenzentrum設計，具有隨形冷卻通道，其設計無法使用傳統(tǒng)方法制造。在Markforged Metal X上打印（來源：PTZ）
智利一家名為Copper3D的公司生產一種填充銅的長絲，這種長絲不生產金屬部件，而是生產具有銅的抗菌和抑菌特性的部件。據(jù)該公司稱，美國國家航空航天局（NASA）甚至正在測試這種用于"星際微生物污染"的長絲。
銅結合金屬沉積
除了主流的FDM打印機外，還有兩種擠出材料的打印機也提供銅，但它們使用的是自己的專有材料。Desktop Metal使用的是綁定金屬絲，而Markforged使用的是綁定在塑料基體中的金屬粉末。這些制造商的打印機生產的固體金屬零件主要用于機床、感應線圈、散熱器和功能原型等工業(yè)用途。與上述FDM方法一樣，這些零件也需要在打印后去除聚合物并在熔爐中燒結。
銅制FDM三維成型機：
4、銅冷噴涂和DED 3D打印機
WarpSpee3D冷噴涂3D打印機（來源：Spee3D）
雖然這兩種金屬3D打印方法通常不會放在一起，但我們在此將它們合并在一起，因為它們共同的應用是在金屬部件上涂覆另一種金屬，并用金屬粉末逐層堆積金屬部件。
定向能量沉積（DED）是由總部位于新墨西哥州的Optomec公司開發(fā)的一種系統(tǒng)，用于創(chuàng)建、增強和修復金屬部件。與金屬激光粉末床熔融類似，在DED中，高功率激光逐層構建三維結構，生產出的零件密度高、強度大，非常適合機械應用。2019年，Optomec為銅開發(fā)了一種新的DED工藝，用于生產航空航天、化學加工和其他工業(yè)應用中使用的熱交換器。
Spee3D的WarpSpee3D工藝獨一無二，它采用超音速三維沉積技術，利用包括銅和鋁在內的一系列金屬粉末原料生產零件。
Spee3D 3D打印的銅制火箭噴嘴內襯、無火花銅制工程師錘和銅制電纜夾（來源：Spee3D）
冷噴是一種將金屬粉末注入超音速加壓氣流的快速成型技術。冷噴技術不是熔化金屬，而是在一種稱為塑性變形的過程中粘合金屬。Spee3D等公司利用冷噴技術為門、扶手和觸摸板涂上抗菌銅涂層，供醫(yī)院、學校和其他公共場所使用。
冷噴技術也是最快的金屬3D打印方法。Spee3D公司表示，在WarpSpee3D上打印一個重17.9千克的純銅航空火箭噴嘴內襯（如下圖）僅用了3個小時，成本僅為716美元。像這樣的部件通常是用純銅加工而成的，加工過程需要數(shù)周時間，成本高達數(shù)萬美元。
DED和冷噴的一個缺點是，它們在生產復雜幾何形狀時受到限制。
5、光聚合
來自Holo PureForm增材制造硬件的銅部件（來源：Holo）
液態(tài)樹脂3D打印與精細細節(jié)有關，通常不被認為是金屬3D打印工藝，但它確實是。
金屬樹脂3D打印與聚合物樹脂3D打印類似，都是利用紫外線投射到一桶光敏液體上，使其逐層固化。金屬樹脂3D打印機使用的不是100%的聚合物樹脂，而是一種液態(tài)聚合物漿料，其中懸浮著金屬粉末和少量粘合劑。部件打印出來后，還需要經過更多步驟才能制成最終的金屬部件。
總部位于加利福尼亞州的初創(chuàng)公司Holo最近建成了一座設施，計劃用其專有的3D打印機3D打印純銅零件，但這種打印機不對外銷售。Holo將專注于為高性能計算機、電動汽車、射頻天線和熱交換器提供3D打印銅冷卻解決方案。
荷蘭3D打印機制造商Admatec也提供使用銅漿制造高精細銅部件的打印機，而總部位于奧地利的Incus公司則在其名為Incus Hammer Lab35的基于光刻技術的金屬增材制造打印機上提供銅部件。
用于3D打印的銅漿材料（來源：Admatec）
編譯整理：ALL3DP
