銅3D打印相關知識

魔猴君  知識堂   35天前

銅以其紅橙色調而聞名，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品到最終組件制造等多種行業的關鍵組件。隨著3D打印的進步，銅找到了新的應用領域，能夠創建以前難以實現的復雜的定制設計。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。

材質特性

銅（Cu），原子序數為29，是一種化學元素。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，尤其是其導電性。由于其良好的導電性、延展性和延展性，它是制造電氣元件最常用的金屬之一。如果我們關注其在3D打印中的應用，我們會發現不同的銅基合金，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）：導電導熱性能優良，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的機械性能。

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，經過濃縮、熔煉或電化學精煉等一系列過程，將原礦石轉化為純度較高或較低的金屬及其合金。正是在這個轉變階段，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境中的使用壽命。此外，通過適當的工藝優化，它可以表現出有競爭力的機械性能，包括硬度和耐磨性。然而，3D打印銅也帶來了挑戰。例如，其相對較低的熔點會使材料難以熔化并影響層間粘合的質量。此外，銅的高導熱性會導致冷卻過程中出現翹曲問題，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制造零件成為可能。

如今有許多與銅兼容的3D打印技術，最常見的是基于粉末系統的。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。該技術的質量、強度和密度均遠高于傳統技術。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，非常適合高端原型制作和小批量生產。

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，但一些公司已經開發了自己的解決方案來實現這一目標。因此，在使用這種導電金屬制造零件時，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是集中能量沉積（DED）。根據機器的不同，金屬可以是粉末或線材形式。與其他金屬技術不同，DED 3D打印依賴于通過實時熔化過程添加材料，這使得創建復雜幾何形狀具有極大的靈活性，并且能夠修復現有組件。

最后，有兩種技術通常用于塑料材料，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，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。關于第二種技術，Holo、Admatec或Incus等公司已經開發了自己的金屬3D打印機，與銅兼容并基于液體光刻制造。

主要應用

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

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，在航空航天工業中，這種金屬材料通常用于推進系統和火箭發動機零件。

機械和銅制造商

根據制造銅零件所使用的技術，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銅合金，同時也在開發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，值得一提的是已經開發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