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純銅增材制造，粉末擠出3D打印工藝優(yōu)勢突顯

升華三維 2023-08-14 | 閱讀：530

銅是一種具有良好導電、導熱性的金屬，而且它的可鍛性和延展性也較好，同時還有抗腐蝕，甚至殺死細菌和病毒等能力。銅可用來生產導線、銅管、冷板、圓盤、歧管、散熱器、熱交換器、匯流條等，被廣泛地應用于電氣、機械制造、航空航天、國防軍工等領域。如今銅已經是世界上消耗量第三大的工業(yè)金屬。

純銅制造面臨的挑戰(zhàn)

銅加工是我國有色金屬工業(yè)的重要組成部分。經過多年的快速發(fā)展，我國已經成為全球最大的銅材生產國和消費國。銅部件通常采用金屬粉末注射成型 (MIM) 和如鍛造、機加工、擠壓、鑄造等傳統(tǒng)工藝制造，可以生產簡單的幾何形狀，但卻難以生產復雜結構部件，或者需要通過焊接等其他工藝來實現(xiàn)復雜制造。隨著應用端對復雜結構零部件的需求增多，傳統(tǒng)制備純銅部件的工藝已無法滿足應用市場高速發(fā)展的全部需求。而能夠實現(xiàn)復雜零件一體化成形的增材制造（AM）技術優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)，在銅部件制作中展現(xiàn)出巨大的應用潛力。

▲傳統(tǒng)工藝加工的銅零件（來源網絡）

特別是在減材制造工藝中，純銅是出了名的難用，它的的延展性經常導致在減材制造操作中變形。因此，減材制造通常需要采用電導率和導熱性較低的銅合金。而在增材制造中，純銅材料的應用雖然起步較晚，但近年來已呈現(xiàn)出快速發(fā)展的趨勢，特別是在國防軍工領域上銅的增材制造應用不斷取得重要進展，更促進了銅材料增材制造的發(fā)展。

純銅增材制造的不同工藝

金屬增材制造目前最典型的工藝就是選擇性激光熔化（SLM）和電子束熔化(EBM)技術，同時也可打印純銅材料。但是由于銅金屬高反射、高導電、及高導熱，SLM工藝在激光熔化銅的過程中，吸收率低，激光難以持續(xù)熔化銅金屬粉末，從而導致成形效率低，冶金質量難以控制等問題。此外，銅的高延展性給去除多余粉末這樣的后處理工作增加了難度。而EBM由于使用的是電子束為熱源，不會受到SLM激光高反射因素的影響，因此稍具優(yōu)勢。但因銅具有高導電率，EBM打印過程會很短；又因銅的高導熱率，會導致打印的模型尺寸精度和力學性能各方面的可控性較差，因此打印的銅零件表面質量不佳，這又給銅感應線圈等應用的后處理帶來不便。

▲綠色SLM打印純銅（來源3D科學谷《銅金屬3D打印白皮書》）

然而純銅激光增材制造工藝中存在的挑戰(zhàn)也正在被逐漸克服。如采用綠色激光選區(qū)激光熔化系統(tǒng)（綠色SLM）的純銅制件力學性能和電導率都大大提升，反射率的減少可以使得加工過程更加穩(wěn)定而且高效。另外材料擠出、光聚合與粘結劑噴射工藝的銅3D打印工藝也實現(xiàn)了商業(yè)化。其中，基于燒結的粉末擠出打?。≒EP）技術巧妙避開了純銅打印過程中的高導熱、高反射問題，通過先打印生坯，然后再經過成熟的粉末冶金脫脂和燒結工藝，得到結構優(yōu)良的高性能純銅部件。有望為下一代導熱、導電零部件的制造帶來更多樣化的解決方案。

PEP技術制造銅的優(yōu)勢

PEP技術是由升華三維推出的“3D打印+粉末冶金”相結合的金屬／陶瓷間接3D打印工藝，利用了3D打印技術的復雜結構、一體化、輕量化等技術特點，再充分發(fā)揮粉末冶金可加工材料廣泛，加工成本低等技術優(yōu)勢，為傳統(tǒng)制造數字化賦能。PEP工藝在純銅3D打印上一舉填補國內空白。

基于PEP技術3D打印純銅不需要高能激光束，巧妙地避開了純銅打印過程中的高導熱率、高反射率的問題，通過先打印生坯，然后再脫脂、燒結的工藝得到純銅部件。因其將熱加工過程轉移到燒結步驟，使得更容易管理熱應力；而且燒結溫度低于其他類型的直接3D打印工藝中所需的完全熔化溫度，使得熱量可以更均勻地施加，從而確保了產品性能的一致性。

▲升華三維打印的純銅換熱器

而在打印過程中，想要獲得高致密度或高導電導熱純銅制件，其純銅打印材料配方和脫脂燒結的工藝要求也非常高，升華三維純銅顆粒料UPGM-CU則十分適配于純銅3D打印，其保持原料高純凈度的同時還具有更易實現(xiàn)致密化的特性，能滿足不同純銅零件的打印需求。升華三維自主研發(fā)的3D打印設備，可以加工純銅及其合金材料以制造致密的部件，目前已經廣泛應用于熱交換器、散熱器和電感應器的產品開發(fā)中。

▲升華三維純銅打印產品性能數據

PEP技術成形工藝簡單，無需激光器件，具有低溫成型、高溫成性的特性。可解決如銅類高反射金屬對激光波段吸收率低，解決同時具備精細復雜幾何結構和高性能純銅制造加工問題；打印材料制備方便，對原始粉末的球形度和流動性沒有嚴格要求，適用于粉末冶金工藝所用的粉末材料，并且打印材料可循環(huán)利用。為純銅材料制造加工難提供了有效途徑。

賦能銅加工制造，升華三維力戰(zhàn)不怠

近年來，面對復雜多變的國內外宏觀經濟形勢和發(fā)展環(huán)境，我國銅加工產業(yè)積極推進轉方式、調結構、促轉型，保持了行業(yè)的持續(xù)快速發(fā)展。目前，我國銅產業(yè)加工能力不斷提升，應用領域不斷擴大，國產化水平不斷提高，整個行業(yè)呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的良好態(tài)勢。純銅增材制造可以大大降低制造周期和成本。其次，還可以制造出結構更為復雜的零件，不僅提高了產品的精度，還可以實現(xiàn)定制化生產。這些優(yōu)勢使得純銅增材制造在各行各業(yè)都有廣泛的應用前景。

▲升華三維制備的純銅結構件

升華三維作為中國金屬/陶瓷間接3D打印引領者，擁有完全自主產權3D打印設備及打印材料，已掌握金屬/陶瓷間接3D打印技術在打印裝備及核心器件、成形材料、工藝及軟件等關鍵核心技術并搭建成完整的增材制造工藝鏈。升華三維在材料配方、設備性能、打印及燒結工藝也在不斷的改善，純銅增材制造能力也將進一步地提升。隨著我國銅加工制造業(yè)的不斷升級，以及應用市場需求的高要求，升華將憑借著技術和工藝優(yōu)勢，賦能銅產業(yè)加工制造，提供卓越的3D打印整體解決方案和服務。為我國銅產業(yè)加工實現(xiàn)數字化轉型發(fā)展貢獻應有的力量。