銅3D打印–終極指南
魔猴君 知識堂 404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(jī)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(jìn)行3D打印是一項挑戰(zhàn)。3D打印機(jī)和材料的進(jìn)步在很大程度上解決了這些早期難題。如今,3D打印銅推進(jìn)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(jī)性能。
銅作為電機(jī)、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(biāo)中發(fā)揮著巨大作用。事實上,標(biāo)準(zhǔn)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(jī)(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(xì)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(xì)的細(xì)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(jìn)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(jìn)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(jī)制造商通快公司(Trumpf)宣布,其TruPrint 5000綠色版打印機(jī)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(jī)的信息,這些技術(shù)和3D打印機(jī)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(jī)
并非每臺金屬3D打印機(jī)都能打印銅,還有在打印技術(shù)和價格方面仍有相當(dāng)大的差異。
如今,經(jīng)濟(jì)實惠的臺式FDM打印機(jī)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(jìn)的制造工藝,使用銅粉、銅棒或銅和聚合物漿料的3D打印機(jī)可生產(chǎn)出具有優(yōu)異機(jī)械和導(dǎo)電性能的工業(yè)零件,這些零件可達(dá)到IACS(國際退火銅標(biāo)準(zhǔn))等國際標(biāo)準(zhǔn)。
讓我們來看看當(dāng)今可處理銅的打印機(jī)類型。
1、銅粉床熔融3D打印機(jī)
Trumpf的TruPrint 1000綠色版3D打印機(jī)(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(jī)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(jī)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(lán)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(jī)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(dāng)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(jìn)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(jī):
2、銅粘合劑噴射3D打印機(jī)
Digital Metal的P2500粘合劑噴射打印機(jī)也可以使用銅粉進(jìn)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(jī):
3、銅FDM和結(jié)合金屬沉積3D打印機(jī)
使用Markforged的Metal X打印機(jī)3D打印銅零件(來源:Markforged)
3D打印銅零件最經(jīng)濟(jì)的方法是使用擠出長絲的機(jī)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(dāng),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(dá)225oC)的熔融沉積成型(FDM)打印機(jī)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(jī)外,還有兩種擠出材料的打印機(jī)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(jī)生產(chǎn)的固體金屬零件主要用于機(jī)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(jī):
4、銅冷噴涂和DED 3D打印機(jī)
WarpSpee3D冷噴涂3D打印機(jī)(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(qiáng)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(qiáng)度大,非常適合機(jī)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(dá)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(xì)細(xì)節(jié)有關(guān),通常不被認(rèn)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(jī)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(jī)3D打印純銅零件,但這種打印機(jī)不對外銷售。Holo將專注于為高性能計算機(jī)、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(jī)制造商Admatec也提供使用銅漿制造高精細(xì)銅部件的打印機(jī),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(jī)上提供銅部件。
用于3D打印的銅漿材料(來源:Admatec)
編譯整理:ALL3DP