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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：443

銅是一種具有良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱性的金屬，而且它的可鍛性和延展性也較好，同時(shí)還有抗腐蝕，甚至殺死細(xì)菌和病毒等能力。銅可用來生產(chǎn)導(dǎo)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(yīng)用于電氣、機(jī)械制造、航空航天、國防軍工等領(lǐng)域。如今銅已經(jīng)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(jīng)過多年的快速發(fā)展，我國已經(jīng)成為全球最大的銅材生產(chǎn)國和消費(fèi)國。銅部件通常采用金屬粉末注射成型 (MIM) 和如鍛造、機(jī)加工、擠壓、鑄造等傳統(tǒng)工藝制造，可以生產(chǎn)簡單的幾何形狀，但卻難以生產(chǎn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件，或者需要通過焊接等其他工藝來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜制造。隨著應(yīng)用端對復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(yīng)用市場高速發(fā)展的全部需求。而能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜零件一體化成形的增材制造（AM）技術(shù)優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)，在銅部件制作中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

▲傳統(tǒng)工藝加工的銅零件（來源網(wǎng)絡(luò)）

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(jīng)常導(dǎo)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(dǎo)率和導(dǎo)熱性較低的銅合金。而在增材制造中，純銅材料的應(yīng)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(lǐng)域上銅的增材制造應(yīng)用不斷取得重要進(jìn)展，更促進(jìn)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(shù)，同時(shí)也可打印純銅材料。但是由于銅金屬高反射、高導(dǎo)電、及高導(dǎo)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(dǎo)致成形效率低，冶金質(zhì)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(dǎo)電率，EBM打印過程會很短；又因銅的高導(dǎo)熱率，會導(dǎo)致打印的模型尺寸精度和力學(xué)性能各方面的可控性較差，因此打印的銅零件表面質(zhì)量不佳，這又給銅感應(yīng)線圈等應(yīng)用的后處理帶來不便。

▲綠色SLM打印純銅（來源3D科學(xué)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(xué)性能和電導(dǎo)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(jié)劑噴射工藝的銅3D打印工藝也實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。其中，基于燒結(jié)的粉末擠出打印（PEP）技術(shù)巧妙避開了純銅打印過程中的高導(dǎo)熱、高反射問題，通過先打印生坯，然后再經(jīng)過成熟的粉末冶金脫脂和燒結(jié)工藝，得到結(jié)構(gòu)優(yōu)良的高性能純銅部件。有望為下一代導(dǎo)熱、導(dǎo)電零部件的制造帶來更多樣化的解決方案。

PEP技術(shù)制造銅的優(yōu)勢

PEP技術(shù)是由升華三維推出的“3D打印+粉末冶金”相結(jié)合的金屬／陶瓷間接3D打印工藝，利用了3D打印技術(shù)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、一體化、輕量化等技術(shù)特點(diǎn)，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(shù)優(yōu)勢，為傳統(tǒng)制造數(shù)字化賦能。PEP工藝在純銅3D打印上一舉填補(bǔ)國內(nèi)空白。

基于PEP技術(shù)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(dǎo)熱率、高反射率的問題，通過先打印生坯，然后再脫脂、燒結(jié)的工藝得到純銅部件。因其將熱加工過程轉(zhuǎn)移到燒結(jié)步驟，使得更容易管理熱應(yīng)力；而且燒結(jié)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(chǎn)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(dǎo)電導(dǎo)熱純銅制件，其純銅打印材料配方和脫脂燒結(jié)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(shí)還具有更易實(shí)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(shè)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(jīng)廣泛應(yīng)用于熱交換器、散熱器和電感應(yīng)器的產(chǎn)品開發(fā)中。

▲升華三維純銅打印產(chǎn)品性能數(shù)據(jù)

PEP技術(shù)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(shí)具備精細(xì)復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)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(yán)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(fù)雜多變的國內(nèi)外宏觀經(jīng)濟(jì)形勢和發(fā)展環(huán)境，我國銅加工產(chǎn)業(yè)積極推進(jìn)轉(zhuǎn)方式、調(diào)結(jié)構(gòu)、促轉(zhuǎn)型，保持了行業(yè)的持續(xù)快速發(fā)展。目前，我國銅產(chǎn)業(yè)加工能力不斷提升，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，國產(chǎn)化水平不斷提高，整個(gè)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(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的零件，不僅提高了產(chǎn)品的精度，還可以實(shí)現(xiàn)定制化生產(chǎn)。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(yīng)用前景。

▲升華三維制備的純銅結(jié)構(gòu)件

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