銅3D打印–終極指南

魔猴君  知識堂   401天前

銅是金屬3D打印技術(shù)中發(fā)展最快的領(lǐng)域之一，從電機到散熱器，銅都是人們追捧的對象。

以前，由于銅的反光性和高導(dǎo)熱性，用銅進行3D打印是一項挑戰(zhàn)。3D打印機和材料的進步在很大程度上解決了這些早期難題。如今，3D打印銅推進系統(tǒng)可將火箭送入太空，3D打印銅散熱器可使CPU保持低溫，3D打印銅線圈可提高電機性能。

銅作為電機、充電基礎(chǔ)設(shè)施、太陽能和電池的重要組成部分，在全球可持續(xù)發(fā)展目標中發(fā)揮著巨大作用。事實上，標準普爾全球公司（S&P Global）2022年的一項研究預(yù)計，未來十年全球銅需求量將增長近一倍，而人們對銅礦的來源卻越來越關(guān)注。

總部位于加州的航空航天零部件制造商Launcher于2022年成功測試了其3D打印銅火箭發(fā)動機（來源：Launcher）

為什么要3D打印銅？

銅具有導(dǎo)熱、導(dǎo)電、抗腐蝕甚至殺死細菌和病毒的能力，因此一直是一種非常有用的金屬。隨著3D打印技術(shù)為這種金屬帶來更多應(yīng)用和可能性，復(fù)雜銅制部件的需求也在不斷增長。

3D打印（也稱為快速成型制造）能夠制造出異常復(fù)雜的形狀、精細的細節(jié)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和晶格填充物，這是任何其他類型的金屬制造都無法實現(xiàn)的。這些功能可減輕重量、提高效率并縮短制造和裝配時間。與其他制造方法相比，3D打印所需的原材料更少，浪費也更少，此外，多部件組件可作為一個整體進行3D打印，這也在提高效率的同時減少了原材料的用量。對于對三維銅材打印感興趣的公司來說，降低原材料成本至關(guān)重要。

如果您已經(jīng)在生產(chǎn)定制銅零件，那么您或許可以通過3D打印技術(shù)在優(yōu)化零件性能的同時大幅降低生產(chǎn)成本。此外，3D打印技術(shù)的另一大優(yōu)勢是可以生產(chǎn)用于測試的銅制零件原型，而無需像其他金屬制造方法那樣花費大量時間和金錢來制作模具。

3D打印銅的主要應(yīng)用：

散熱器

熱交換器

感應(yīng)線圈

電子設(shè)備

母線、發(fā)夾式定子、單線圈

天線

射頻屏蔽

射頻四極桿/導(dǎo)波板

這種3D打印射頻四極桿是所有加速器復(fù)合體中最復(fù)雜的部件之一（來源：Trumpf）

3D打印銅的最新進展

在過去的一年中，3D打印銅的兩種應(yīng)用成為新聞焦點：火箭和醫(yī)療工具。

太空公司Ursa Major于去年7月交付了首個基于銅的3D打印火箭燃燒室。該公司表示，生產(chǎn)該部件只用了一個月時間，而傳統(tǒng)制造工藝通常需要六個月。自2015年美國國家航空航天局（NASA）首次打印出銅燃燒室襯墊以來，越來越多的太空公司開始使用3D打印銅，Ursa Major公司也加入了這一行列。

2023年2月，加拿大不列顛哥倫比亞理工學(xué)院與礦業(yè)公司泰克資源有限公司（Teck Resources Limited）聯(lián)合開設(shè)了泰克銅業(yè)創(chuàng)新中心（Teck Copper Innovation Hub）。該設(shè)施將容納研究人員調(diào)查和開發(fā)微生物銅在醫(yī)療保健設(shè)備（如假肢和矯形器）中的新用途。

去年年底，3D打印機制造商通快公司（Trumpf）宣布，其TruPrint 5000綠色版打印機已用于快速制造粒子加速器的一個關(guān)鍵銅部件（上圖），這讓人們更加期待這些研究工具的制造成本會越來越低。

請繼續(xù)閱讀以了解更多有關(guān)技術(shù)和3D打印機的信息，這些技術(shù)和3D打印機使工程師、制造商和設(shè)計師能夠重新想象銅的可能性。

Markforged的3D打印銅散熱器（來源：Markforged）

使用銅打印的3D打印機

并非每臺金屬3D打印機都能打印銅，還有在打印技術(shù)和價格方面仍有相當大的差異。

如今，經(jīng)濟實惠的臺式FDM打印機使用銅填充塑料長絲，可以打印出幾乎100%含銅的銅飾品、裝飾品和其他部件。對于更先進的制造工藝，使用銅粉、銅棒或銅和聚合物漿料的3D打印機可生產(chǎn)出具有優(yōu)異機械和導(dǎo)電性能的工業(yè)零件，這些零件可達到IACS（國際退火銅標準）等國際標準。

讓我們來看看當今可處理銅的打印機類型。

1、銅粉床熔融3D打印機

Trumpf的TruPrint 1000綠色版3D打印機（來源：Trumpf）

粉末床融合是最流行的金屬3D打印方法，最近有幾家機器制造商在其材料選擇清單中引入了銅。由于銅具有高反射性，使用激光加工粉末對制造商來說是一個障礙。不過，這種技術(shù)和材料已經(jīng)發(fā)展到可以應(yīng)對挑戰(zhàn)的程度。

例如，3D打印機制造商Trumpf開發(fā)了一種工業(yè)用綠色激光器，可用于3D打印銅、銅合金和貴金屬等材料，而這些材料用紅外線波長很難加工。藍激光技術(shù)在銅加工方面也大有可為。

激光粉末床熔融（LPBF）和電子束熔融（EBM）這兩種金屬3D打印粉末床技術(shù)的工作原理是在打印機內(nèi)的平臺頂部鋪上一層薄薄的銅粉。在激光或電子束追蹤部件第一層的同時，粉末被加熱。當層中的顆粒熔化后，平臺略微下降到構(gòu)建室中，新的粉末沉積在上面，整個過程重復(fù)進行。該過程中剩余的一些銅粉可回收用于下一次打印。

GNK粉末冶金公司用于增材制造的銅粉（來源：GNK）

銅粉床融合3D打印機：

2、銅粘合劑噴射3D打印機

Digital Metal的P2500粘合劑噴射打印機也可以使用銅粉進行打?。▉碓矗篋igital Metal）

銅粉與液體結(jié)合劑結(jié)合，然后在熔爐中燒結(jié)，這是一種被稱為粘合劑噴射的3D打印方法，它可以在不需要支撐材料的情況下生產(chǎn)零件，從而節(jié)省材料和勞動力。粘合劑噴射是一種無熱工藝，在每層金屬之間噴射一層粘合劑，然后在燒結(jié)過程中去除粘合劑。

由于粘合劑噴射通常比基于激光的方法更快，但需要燒結(jié)步驟，因此是大量金屬零件增材制造的常用方法。

支持銅的粘結(jié)劑噴射3D打印機：

3、銅FDM和結(jié)合金屬沉積3D打印機

使用Markforged的Metal X打印機3D打印銅零件（來源：Markforged）

3D打印銅零件最經(jīng)濟的方法是使用擠出長絲的機器。用于打印金屬零件的金屬絲由塑料基底和均勻注入的金屬顆粒組成。用于銅零件的注銅長絲是一種獨特的復(fù)合長絲，如果使用得當，可打印出堅固、耐化學(xué)腐蝕且近乎堅固的金屬零件。

幾乎所有帶有加熱床和硬化鋼噴嘴（溫度可達225oC）的熔融沉積成型（FDM）打印機都能使用銅粉填充聚合物長絲打印出近乎堅固的金屬零件。不過，剛從打印床上下來的部件并不是金屬，打印后還需要額外的步驟來融化聚合物粘合劑，只留下金屬。

目前，市場上唯一的選擇是長絲制造商The Virtual Foundry。

其他類型的銅絲內(nèi)部有足夠的真銅顆粒，可以拋光并具有類似金屬的重量，但這些銅絲主要用于裝飾目的。

這款3D打印銅工具冷卻器由位于德累斯頓的PTZ Prototypenzentrum設(shè)計，具有隨形冷卻通道，其設(shè)計無法使用傳統(tǒng)方法制造。在Markforged Metal X上打?。▉碓矗篜TZ）

智利一家名為Copper3D的公司生產(chǎn)一種填充銅的長絲，這種長絲不生產(chǎn)金屬部件，而是生產(chǎn)具有銅的抗菌和抑菌特性的部件。據(jù)該公司稱，美國國家航空航天局（NASA）甚至正在測試這種用于"星際微生物污染"的長絲。

銅結(jié)合金屬沉積

除了主流的FDM打印機外，還有兩種擠出材料的打印機也提供銅，但它們使用的是自己的專有材料。Desktop Metal使用的是綁定金屬絲，而Markforged使用的是綁定在塑料基體中的金屬粉末。這些制造商的打印機生產(chǎn)的固體金屬零件主要用于機床、感應(yīng)線圈、散熱器和功能原型等工業(yè)用途。與上述FDM方法一樣，這些零件也需要在打印后去除聚合物并在熔爐中燒結(jié)。

銅制FDM三維成型機：

4、銅冷噴涂和DED 3D打印機

WarpSpee3D冷噴涂3D打印機（來源：Spee3D）

雖然這兩種金屬3D打印方法通常不會放在一起，但我們在此將它們合并在一起，因為它們共同的應(yīng)用是在金屬部件上涂覆另一種金屬，并用金屬粉末逐層堆積金屬部件。

定向能量沉積（DED）是由總部位于新墨西哥州的Optomec公司開發(fā)的一種系統(tǒng)，用于創(chuàng)建、增強和修復(fù)金屬部件。與金屬激光粉末床熔融類似，在DED中，高功率激光逐層構(gòu)建三維結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)出的零件密度高、強度大，非常適合機械應(yīng)用。2019年，Optomec為銅開發(fā)了一種新的DED工藝，用于生產(chǎn)航空航天、化學(xué)加工和其他工業(yè)應(yīng)用中使用的熱交換器。

Spee3D的WarpSpee3D工藝獨一無二，它采用超音速三維沉積技術(shù)，利用包括銅和鋁在內(nèi)的一系列金屬粉末原料生產(chǎn)零件。

Spee3D 3D打印的銅制火箭噴嘴內(nèi)襯、無火花銅制工程師錘和銅制電纜夾（來源：Spee3D）

冷噴是一種將金屬粉末注入超音速加壓氣流的快速成型技術(shù)。冷噴技術(shù)不是熔化金屬，而是在一種稱為塑性變形的過程中粘合金屬。Spee3D等公司利用冷噴技術(shù)為門、扶手和觸摸板涂上抗菌銅涂層，供醫(yī)院、學(xué)校和其他公共場所使用。

冷噴技術(shù)也是最快的金屬3D打印方法。Spee3D公司表示，在WarpSpee3D上打印一個重17.9千克的純銅航空火箭噴嘴內(nèi)襯（如下圖）僅用了3個小時，成本僅為716美元。像這樣的部件通常是用純銅加工而成的，加工過程需要數(shù)周時間，成本高達數(shù)萬美元。

DED和冷噴的一個缺點是，它們在生產(chǎn)復(fù)雜幾何形狀時受到限制。

5、光聚合

來自Holo PureForm增材制造硬件的銅部件（來源：Holo）

液態(tài)樹脂3D打印與精細細節(jié)有關(guān)，通常不被認為是金屬3D打印工藝，但它確實是。

金屬樹脂3D打印與聚合物樹脂3D打印類似，都是利用紫外線投射到一桶光敏液體上，使其逐層固化。金屬樹脂3D打印機使用的不是100%的聚合物樹脂，而是一種液態(tài)聚合物漿料，其中懸浮著金屬粉末和少量粘合劑。部件打印出來后，還需要經(jīng)過更多步驟才能制成最終的金屬部件。

總部位于加利福尼亞州的初創(chuàng)公司Holo最近建成了一座設(shè)施，計劃用其專有的3D打印機3D打印純銅零件，但這種打印機不對外銷售。Holo將專注于為高性能計算機、電動汽車、射頻天線和熱交換器提供3D打印銅冷卻解決方案。

荷蘭3D打印機制造商Admatec也提供使用銅漿制造高精細銅部件的打印機，而總部位于奧地利的Incus公司則在其名為Incus Hammer Lab35的基于光刻技術(shù)的金屬增材制造打印機上提供銅部件。

用于3D打印的銅漿材料（來源：Admatec）

編譯整理：ALL3DP