純銅3D打印工藝的發(fā)展：從SLM、3DP、FDM到DLP
時(shí)間：2024-01-05 13:41 來(lái)源：增材制造技術(shù)前沿 作者：admin 閱讀：次
由于在電子設(shè)備、熱管理系統(tǒng)和航空航天工業(yè)以及電動(dòng)汽車(chē)等許多應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛潛力，高純銅的3D打印得到了廣泛研究。然而這種材料并沒(méi)有像其他金屬那樣獲得廣泛的應(yīng)用，其原因在于純銅的3D打印有幾個(gè)重大的加工挑戰(zhàn)需要解決。
由于銅的高導(dǎo)熱性，熔體區(qū)域散熱迅速，局部熱梯度大，容易導(dǎo)致分層、卷邊和零件失效；而且，銅對(duì)氧化具有高敏感性，需要對(duì)其3D打印工藝進(jìn)行特殊處理；此外，純銅還是一種高反射金屬，傳統(tǒng)的SLM技術(shù)難以對(duì)其進(jìn)行加工。然而，純銅的3D打印工藝探索并非停滯不前，而是接連取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。本期內(nèi)容匯總純銅的3D打印工藝種類(lèi)。
基于粉末床熔融技術(shù)的純銅3D打印
純銅的3D打印工藝最開(kāi)始由激光粉末床打印開(kāi)始探索，由于純銅對(duì)主流的SLM用激光器的波長(zhǎng)具有很高的反射率，不僅不容易熔化，甚至有可能損傷打印機(jī)光學(xué)器件；通常，基于常規(guī)激光器打印純銅，不得不更改設(shè)備結(jié)構(gòu)，配備更高功率的激光器等。因此，基于傳統(tǒng)SLM技術(shù)的純銅3D打印發(fā)展的始終不盡如人意。
真正的轉(zhuǎn)機(jī)是綠激光和藍(lán)激光的發(fā)展。純銅對(duì)515nm綠激光的吸收率接近40%，對(duì)450nm藍(lán)色激光的吸收率則達(dá)到65%，分別相當(dāng)于常規(guī)SLM用紅外激光的8倍和13倍。隨著對(duì)短波長(zhǎng)高功率激光器開(kāi)發(fā)的克服，采用SLM技術(shù)進(jìn)行純銅3D打印開(kāi)始出現(xiàn)轉(zhuǎn)機(jī)。
2017年，F(xiàn)raunhofer激光技術(shù)研究所表示正在探索采用綠激光進(jìn)行純銅3D打印；同年，日本島津推出了100w的高功率藍(lán)光二極管激光模塊，并采用它進(jìn)行了純銅的3D打印。但對(duì)于這兩家機(jī)構(gòu)，目前尚未看到有專(zhuān)用的SLM設(shè)備推出，F(xiàn)raunhofer則表示未來(lái)將創(chuàng)造一種可靠的用于單模操作的高質(zhì)量激光器，穩(wěn)定輸出最大功率達(dá)400w的515nm波段激光。真正的商業(yè)化是在2018年，通快推出了第一款綠激光SLM打印機(jī)，該設(shè)備配備波長(zhǎng)為515nm的TruDisk1020綠光激光器，打印零件銅含量高于 99.9％，實(shí)現(xiàn)了100％IACS的電導(dǎo)率和99.9％的致密度。
基于粘結(jié)劑噴射技術(shù)的純銅3D打印
理論上，能夠用于金屬注射成型的材料均可采用粘結(jié)劑噴射工藝成型。然而，該技術(shù)的代表型企業(yè)Exone在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)推出的官方認(rèn)證材料卻只有17-4PH、304L、316L、M2工具鋼等等，純銅也一直未能出現(xiàn)在同技術(shù)類(lèi)型公司的材料清單中。
實(shí)際上在采用粘結(jié)劑噴射技術(shù)成型純銅之前，已經(jīng)有學(xué)者采用SLS技術(shù)對(duì)銅和PMMA的粉末混合物進(jìn)行了研究。PMMA作為中間粘結(jié)劑，在激光掃描過(guò)程中融化來(lái)粘結(jié)銅粉形成生坯，之后再進(jìn)行脫脂燒結(jié)處理。這種方式其實(shí)與粘結(jié)劑噴射技術(shù)的過(guò)程類(lèi)似，都是先將銅粉成型出零件的形狀，只是方式不同。研究人員發(fā)現(xiàn)，這種間接的SLM過(guò)程，純銅的致密度遠(yuǎn)低于理論密度（約77-78%），孔隙較多，且脫脂過(guò)程產(chǎn)生的雜質(zhì)被留在了材料內(nèi)部。
無(wú)論對(duì)于金屬注射成型、粘結(jié)劑噴射還是激光燒結(jié)，合理的粉末粒度分布、粘結(jié)劑的選取和脫脂工藝的控制對(duì)于純銅的成型來(lái)說(shuō)都是關(guān)鍵因素。相比激光燒結(jié)，粘結(jié)劑噴射技術(shù)更容易控制粘結(jié)劑的含量，這避免了前者銅粉一次摻入粘結(jié)劑而造成的固定比例問(wèn)題，在工藝調(diào)節(jié)和研究過(guò)程中更加靈活。
此前，國(guó)外研究人員使用Exone的設(shè)備已經(jīng)進(jìn)行過(guò)純銅材料的研究，但所制備的材料致密度和其他性能都不高，且需要經(jīng)過(guò)熱等靜壓處理才能實(shí)現(xiàn)致密化（且只有燒結(jié)密度超過(guò)90%才有必要）；同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，粉末的粒度分布、墨水成分等都是影響制件性能的關(guān)鍵因素。Digital Metal推出了純銅3D打印材料，成為第一個(gè)為粘結(jié)劑噴射3D打印系統(tǒng)提供官方認(rèn)證的純銅材料和工藝的設(shè)備商。根據(jù)該公司公布的數(shù)據(jù)，通過(guò)粘結(jié)劑噴射技術(shù)成型的純銅致密度為96.6%，銅純度為99.9%，然而并不知曉該公司的后處理工藝是否也包含了熱等靜壓。
基于熔融擠出技術(shù)的純銅3D打印
2020年2月，Markforged宣布推出純銅3D打印絲材和工藝，并成功應(yīng)用于散熱器和汽車(chē)制造領(lǐng)域。2020年12月，Desktop Metal推出了基于其Studio桌面3D打印系統(tǒng)的純銅材料及工藝。
與粘結(jié)劑噴射技術(shù)一樣，基于熔融擠出的金屬3D打印都需要脫脂和燒結(jié)。Desktop Metal聲稱(chēng)，新推出的純銅材料致密度可以達(dá)到98%，能夠制造具有復(fù)雜幾何形狀和內(nèi)部通道的零件，借助其Fabricate軟件可自動(dòng)執(zhí)行復(fù)雜的冶金過(guò)程，從而生產(chǎn)出密度和特征精度均與鑄造相似的高質(zhì)量零件。
基于數(shù)字光處理（DLP）技術(shù)的純銅3D打印
2021年3月，美國(guó)Holo公司宣布推出基于DLP技術(shù)的純銅3D打印材料。采用該公司專(zhuān)有的PureForm技術(shù)，利用高分辨率光學(xué)成像儀對(duì)純銅粉和光敏樹(shù)脂混合而成的漿料進(jìn)行3D打印，并結(jié)合已經(jīng)非常成熟的金屬注射成型（MIM）后端工藝，對(duì)打印后的生坯進(jìn)行脫脂和燒結(jié)，最終生產(chǎn)出高性能零件。
Holo公司的漿料具有極佳的分散性，在打印過(guò)程中可形成均勻的層厚，打印機(jī)可在不到10s的時(shí)間內(nèi)固化新層。目前，Holo通過(guò)DLP+脫脂燒結(jié)工藝成型的純銅的致密度平均為96-98%，足以達(dá)到大塊銅95%的導(dǎo)熱率和導(dǎo)電率。此外，該工藝還可能會(huì)減少激光打印產(chǎn)生的裂紋問(wèn)題。
在電子元器件飛速發(fā)展的今天，熱損耗與熱安全問(wèn)題日益凸顯，設(shè)計(jì)緊湊、高效、一體成形的散熱器具有重要的應(yīng)用空間，而這些特征正是3D打印相比傳統(tǒng)加工技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)。
除熱管理系統(tǒng)和熱交換裝置外，純銅3D打印還可用于射頻陰極和感應(yīng)加熱線圈等。對(duì)于不復(fù)雜的器件，純銅3D打印可能并沒(méi)有特別的必要，其發(fā)揮作用的空間還是在于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、特殊結(jié)構(gòu)制造等方面。
當(dāng)前，純銅3D打印的工藝其實(shí)還有其他種類(lèi)，但大都局限于少量公司取得了突破，仍有極大的發(fā)展空間，這與激光、材料和后處理技術(shù)的研究和發(fā)展密切相關(guān)。
由于銅的高導(dǎo)熱性，熔體區(qū)域散熱迅速，局部熱梯度大，容易導(dǎo)致分層、卷邊和零件失效；而且，銅對(duì)氧化具有高敏感性，需要對(duì)其3D打印工藝進(jìn)行特殊處理；此外，純銅還是一種高反射金屬，傳統(tǒng)的SLM技術(shù)難以對(duì)其進(jìn)行加工。然而，純銅的3D打印工藝探索并非停滯不前，而是接連取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。本期內(nèi)容匯總純銅的3D打印工藝種類(lèi)。
純銅的3D打印工藝最開(kāi)始由激光粉末床打印開(kāi)始探索，由于純銅對(duì)主流的SLM用激光器的波長(zhǎng)具有很高的反射率，不僅不容易熔化，甚至有可能損傷打印機(jī)光學(xué)器件；通常，基于常規(guī)激光器打印純銅，不得不更改設(shè)備結(jié)構(gòu)，配備更高功率的激光器等。因此，基于傳統(tǒng)SLM技術(shù)的純銅3D打印發(fā)展的始終不盡如人意。
真正的轉(zhuǎn)機(jī)是綠激光和藍(lán)激光的發(fā)展。純銅對(duì)515nm綠激光的吸收率接近40%，對(duì)450nm藍(lán)色激光的吸收率則達(dá)到65%，分別相當(dāng)于常規(guī)SLM用紅外激光的8倍和13倍。隨著對(duì)短波長(zhǎng)高功率激光器開(kāi)發(fā)的克服，采用SLM技術(shù)進(jìn)行純銅3D打印開(kāi)始出現(xiàn)轉(zhuǎn)機(jī)。
2017年，F(xiàn)raunhofer激光技術(shù)研究所表示正在探索采用綠激光進(jìn)行純銅3D打印；同年，日本島津推出了100w的高功率藍(lán)光二極管激光模塊，并采用它進(jìn)行了純銅的3D打印。但對(duì)于這兩家機(jī)構(gòu)，目前尚未看到有專(zhuān)用的SLM設(shè)備推出，F(xiàn)raunhofer則表示未來(lái)將創(chuàng)造一種可靠的用于單模操作的高質(zhì)量激光器，穩(wěn)定輸出最大功率達(dá)400w的515nm波段激光。真正的商業(yè)化是在2018年，通快推出了第一款綠激光SLM打印機(jī)，該設(shè)備配備波長(zhǎng)為515nm的TruDisk1020綠光激光器，打印零件銅含量高于 99.9％，實(shí)現(xiàn)了100％IACS的電導(dǎo)率和99.9％的致密度。
通快采用綠激光3D打印的純銅器件
除激光粉末床熔融技術(shù)外，電子束對(duì)純銅3D打印也具有優(yōu)勢(shì)，不過(guò)該工藝打印的零件表面質(zhì)量方面表現(xiàn)不佳，這為銅感應(yīng)線圈等應(yīng)用的后處理帶來(lái)不便。基于粘結(jié)劑噴射技術(shù)的純銅3D打印
理論上，能夠用于金屬注射成型的材料均可采用粘結(jié)劑噴射工藝成型。然而，該技術(shù)的代表型企業(yè)Exone在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)推出的官方認(rèn)證材料卻只有17-4PH、304L、316L、M2工具鋼等等，純銅也一直未能出現(xiàn)在同技術(shù)類(lèi)型公司的材料清單中。
幾種純銅3D打印工藝特點(diǎn)對(duì)比
實(shí)際上在采用粘結(jié)劑噴射技術(shù)成型純銅之前，已經(jīng)有學(xué)者采用SLS技術(shù)對(duì)銅和PMMA的粉末混合物進(jìn)行了研究。PMMA作為中間粘結(jié)劑，在激光掃描過(guò)程中融化來(lái)粘結(jié)銅粉形成生坯，之后再進(jìn)行脫脂燒結(jié)處理。這種方式其實(shí)與粘結(jié)劑噴射技術(shù)的過(guò)程類(lèi)似，都是先將銅粉成型出零件的形狀，只是方式不同。研究人員發(fā)現(xiàn)，這種間接的SLM過(guò)程，純銅的致密度遠(yuǎn)低于理論密度（約77-78%），孔隙較多，且脫脂過(guò)程產(chǎn)生的雜質(zhì)被留在了材料內(nèi)部。
無(wú)論對(duì)于金屬注射成型、粘結(jié)劑噴射還是激光燒結(jié)，合理的粉末粒度分布、粘結(jié)劑的選取和脫脂工藝的控制對(duì)于純銅的成型來(lái)說(shuō)都是關(guān)鍵因素。相比激光燒結(jié)，粘結(jié)劑噴射技術(shù)更容易控制粘結(jié)劑的含量，這避免了前者銅粉一次摻入粘結(jié)劑而造成的固定比例問(wèn)題，在工藝調(diào)節(jié)和研究過(guò)程中更加靈活。
不同3D打印工藝制造純銅零件的性能（參考）
此前，國(guó)外研究人員使用Exone的設(shè)備已經(jīng)進(jìn)行過(guò)純銅材料的研究，但所制備的材料致密度和其他性能都不高，且需要經(jīng)過(guò)熱等靜壓處理才能實(shí)現(xiàn)致密化（且只有燒結(jié)密度超過(guò)90%才有必要）；同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，粉末的粒度分布、墨水成分等都是影響制件性能的關(guān)鍵因素。Digital Metal推出了純銅3D打印材料，成為第一個(gè)為粘結(jié)劑噴射3D打印系統(tǒng)提供官方認(rèn)證的純銅材料和工藝的設(shè)備商。根據(jù)該公司公布的數(shù)據(jù)，通過(guò)粘結(jié)劑噴射技術(shù)成型的純銅致密度為96.6%，銅純度為99.9%，然而并不知曉該公司的后處理工藝是否也包含了熱等靜壓。
Digital Metal粘結(jié) 劑噴射3D打印成型的散熱器及擴(kuò)音器天線
基于熔融擠出技術(shù)的純銅3D打印
2020年2月，Markforged宣布推出純銅3D打印絲材和工藝，并成功應(yīng)用于散熱器和汽車(chē)制造領(lǐng)域。2020年12月，Desktop Metal推出了基于其Studio桌面3D打印系統(tǒng)的純銅材料及工藝。
Desktop Metal打印的純銅電機(jī)座和螺旋換熱器，均具有內(nèi)部冷卻通道
與粘結(jié)劑噴射技術(shù)一樣，基于熔融擠出的金屬3D打印都需要脫脂和燒結(jié)。Desktop Metal聲稱(chēng)，新推出的純銅材料致密度可以達(dá)到98%，能夠制造具有復(fù)雜幾何形狀和內(nèi)部通道的零件，借助其Fabricate軟件可自動(dòng)執(zhí)行復(fù)雜的冶金過(guò)程，從而生產(chǎn)出密度和特征精度均與鑄造相似的高質(zhì)量零件。
基于數(shù)字光處理（DLP）技術(shù)的純銅3D打印
2021年3月，美國(guó)Holo公司宣布推出基于DLP技術(shù)的純銅3D打印材料。采用該公司專(zhuān)有的PureForm技術(shù)，利用高分辨率光學(xué)成像儀對(duì)純銅粉和光敏樹(shù)脂混合而成的漿料進(jìn)行3D打印，并結(jié)合已經(jīng)非常成熟的金屬注射成型（MIM）后端工藝，對(duì)打印后的生坯進(jìn)行脫脂和燒結(jié)，最終生產(chǎn)出高性能零件。
Holo公司的專(zhuān)有漿料材料特性
Holo公司的漿料具有極佳的分散性，在打印過(guò)程中可形成均勻的層厚，打印機(jī)可在不到10s的時(shí)間內(nèi)固化新層。目前，Holo通過(guò)DLP+脫脂燒結(jié)工藝成型的純銅的致密度平均為96-98%，足以達(dá)到大塊銅95%的導(dǎo)熱率和導(dǎo)電率。此外，該工藝還可能會(huì)減少激光打印產(chǎn)生的裂紋問(wèn)題。
Holo 3D打印的純銅零件
基于已經(jīng)成熟的工藝，Holo著重于散熱器件的開(kāi)發(fā)與制造，而不是銷(xiāo)售3D打印機(jī)。其目前的一條試驗(yàn)生產(chǎn)線每月可生產(chǎn)20000個(gè)純銅小零件，并希望每年生產(chǎn)數(shù)百萬(wàn)個(gè)銅散熱片零件。在電子元器件飛速發(fā)展的今天，熱損耗與熱安全問(wèn)題日益凸顯，設(shè)計(jì)緊湊、高效、一體成形的散熱器具有重要的應(yīng)用空間，而這些特征正是3D打印相比傳統(tǒng)加工技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)。
除熱管理系統(tǒng)和熱交換裝置外，純銅3D打印還可用于射頻陰極和感應(yīng)加熱線圈等。對(duì)于不復(fù)雜的器件，純銅3D打印可能并沒(méi)有特別的必要，其發(fā)揮作用的空間還是在于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、特殊結(jié)構(gòu)制造等方面。
當(dāng)前，純銅3D打印的工藝其實(shí)還有其他種類(lèi)，但大都局限于少量公司取得了突破，仍有極大的發(fā)展空間，這與激光、材料和后處理技術(shù)的研究和發(fā)展密切相關(guān)。
(責(zé)任編輯：admin)
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