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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：481

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(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(shù),，同時也可打印純銅材料。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打印工藝也實現(xiàn)了商業(yè)化。其中,，基于燒結(jié)的粉末擠出打?。≒EP）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，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(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)濟形勢和發(fā)展環(huán)境，我國銅加工產(chǎn)業(yè)積極推進轉(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)域不斷擴大,，國產(chǎn)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(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)加工實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展貢獻應(yīng)有的力量。