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纯铜3D打印工艺的发展:从SLM、3DP、FDM到DLP

由于在电子设备、热管理系统和航空航天工业以及电动汽车等许多应用领域的广泛潜力,高纯铜的3D打印得到了广泛研究。然而这种材料并没有像其他金属那样获得广泛的应用,其原因在于纯铜的3D打印有几个重大的加工挑战需要解决。

由于铜的高导热性,熔体区域散热迅速,局部热梯度大,容易导致分层、卷边和零件失效;而且,铜对氧化具有高敏感性,需要对其3D打印工艺进行特殊处理;此外,纯铜还是一种高反射金属,传统的SLM技术难以对其进行加工。然而,纯铜的3D打印工艺探索并非停滞不前,而是接连取得实质性进展。本期,3D打印技术参考汇总纯铜的3D打印工艺种类。

基于粉末床熔融技术的纯铜3D打印

纯铜的3D打印工艺最开始由激光粉末床打印开始探索,由于纯铜对主流的SLM用激光器的波长具有很高的反射率,不仅不容易熔化,甚至有可能损伤打印机光学器件;通常,基于常规激光器打印纯铜,不得不更改设备结构,配备更高功率的激光器等。因此,基于传统SLM技术的纯铜3D打印发展的始终不尽如人意。

真正的转机是绿激光和蓝激光的发展。纯铜对515nm绿激光的吸收率接近40%,对450nm蓝色激光的吸收率则达到65%,分别相当于常规SLM用红外激光的8倍和13倍。随着对短波长高功率激光器开发的克服,采用SLM技术进行纯铜3D打印开始出现转机。

2017年,Fraunhofer激光技术研究所表示正在探索采用绿激光进行纯铜3D打印; 同年,日本岛津推出了100w的高功率蓝光二极管激光模块,并采用它进行了纯铜的3D打印。 但对于这两家机构,目前尚未看到有专用的SLM设备推出,Fraunhofer则表示未来将创造一种可靠的用于单模操作的高质量激光器,稳定输出最大功率达400w的515nm波段激光。

真正的商业化是在2018年,通快推出了第一款绿激光SLM打印机,该设备配备波长为515nm的TruDisk1020绿光激光器,打印零件铜含量高于 99.9%,实现了100%IACS的电导率和99.9%的致密度。该设备将亮相今年上海TCT 3D打印展。

除激光粉末床熔融技术外,电子束对纯铜3D打印也具有优势,不过该工艺打印的零件表面质量方面表现不佳,这为铜感应线圈等应用的后处理带来不便。

本部分上传资料:通快、EOS纯铜材料数据表及设备资料。

基于粘结剂喷射技术的纯铜3D打印

理论上,能够用于金属注射成型的材料均可采用粘结剂喷射工艺成型。然而,该技术的代表型企业Exone在很长时间内推出的官方认证材料却只有17-4PH、304L、316L、M2工具钢等等,纯铜也一直未能出现在同技术类型公司的材料清单中。

几种纯铜3D打印工艺特点对比

实际上在采用粘结剂喷射技术成型纯铜之前,已经有学者采用SLS技术对铜和PMMA的粉末混合物进行了研究。PMMA作为中间粘结剂,在激光扫描过程中融化来粘结铜粉形成生坯,之后再进行脱脂烧结处理。这种方式其实与粘结剂喷射技术的过程类似,都是先将铜粉成型出零件的形状,只是方式不同。研究人员发现,这种间接的SLM过程,纯铜的致密度远低于理论密度(约77-78%),孔隙较多,且脱脂过程产生的杂质被留在了材料内部。

无论对于金属注射成型、粘结剂喷射还是激光烧结,合理的粉末粒度分布、粘结剂的选取和脱脂工艺的控制对于纯铜的成型来说都是关键因素。相比激光烧结,粘结剂喷射技术更容易控制粘结剂的含量,这避免了前者铜粉一次掺入粘结剂而造成的固定比例问题,在工艺调节和研究过程中更加灵活。

不同3D打印工艺制造纯铜零件的性能(参考)
此前,国外研究人员使用Exone的设备已经进行过纯铜材料的研究,但所制备的材料致密度和其他性能都不高,且需要经过热等静压处理才能实现致密化(且只有烧结密度超过90%才有必要);同时也发现,粉末的粒度分布、墨水成分等都是影响制件性能的关键因素。今年2月,Digital Metal宣布推出纯铜3D打印材料,成为第一个为粘结剂喷射3D打印系统提供官方认证的纯铜材料和工艺的设备商。根据该公司公布的数据,通过粘结剂喷射技术成型的纯铜致密度为96.6%,铜纯度为99.9%,然而并不知晓该公司的后处理工艺是否也包含了热等静压。

Digital Metal粘结 剂喷射3D打印成型的散热器及扩音器天线

本部分上传资料:纯铜的粘结剂喷射成型研究;Digital Metal粘结剂喷射成型纯铜的性能数据。

基于熔融挤出技术的纯铜3D打印

2020年2月,Markforged宣布推出纯铜3D打印丝材和工艺,并成功应用于散热器和汽车制造领域。2020年12月,Desktop Metal推出了基于其Studio桌面3D打印系统的纯铜材料及工艺。

Desktop Metal打印的纯铜电机座和螺旋换热器,均具有内部冷却通道

与粘结剂喷射技术一样,基于熔融挤出的金属3D打印都需要脱脂和烧结。Desktop Metal声称,新推出的纯铜材料致密度可以达到98%,能够制造具有复杂几何形状和内部通道的零件,借助其Fabricate软件可自动执行复杂的冶金过程,从而生产出密度和特征精度均与铸造相似的高质量零件。

本部分上传:Markforged、Desktop Metal纯铜材料数据表。

基于数字光处理(DLP)技术的纯铜3D打印

2021年3月,美国Holo公司宣布推出基于DLP技术的纯铜3D打印材料。采用该公司专有的PureForm技术,利用高分辨率光学成像仪对纯铜粉和光敏树脂混合而成的浆料进行3D打印,并结合已经非常成熟的金属注射成型(MIM)后端工艺,对打印后的生坯进行脱脂和烧结,最终生产出高性能零件。

Holo公司的专有浆料材料特性

Holo公司的浆料具有极佳的分散性,在打印过程中可形成均匀的层厚,打印机可在不到10s的时间内固化新层。目前,Holo通过DLP+脱脂烧结工艺成型的纯铜的致密度平均为96-98%,足以达到大块铜95%的导热率和导电率。此外,该工艺还可能会减少激光打印产生的裂纹问题。

Holo 3D打印的纯铜零件

基于已经成熟的工艺,Holo着重于散热器件的开发与制造,而不是销售3D打印机。其目前的一条试验生产线每月可生产20000个纯铜小零件,并希望每年生产数百万个铜散热片零件。

END

在电子元器件飞速发展的今天,热损耗与热安全问题日益凸显,设计紧凑、高效、一体成形的散热器具有重要的应用空间,而这些特征正是3D打印相比传统加工技术最大的优势。

除热管理系统和热交换装置外,纯铜3D打印还可用于射频阴极和感应加热线圈等。对于不复杂的器件,纯铜3D打印可能并没有特别的必要,其发挥作用的空间还是在于产品开发、特殊结构制造等方面。

当前,纯铜3D打印的工艺其实还有其他种类,但大都局限于少量公司取得了突破,仍有极大的发展空间,这与激光、材料和后处理技术的研究和发展密切相关。

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