洞悉電子束3D打印銅的別有洞天

根據3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀(guān)察，隨著(zhù)3D打印從航空航天和醫療領(lǐng)域走向更廣闊的民用市場(chǎng)，鋁合金、不銹鋼、銅合金將逐漸占主導。其中根據3D科學(xué)谷全球戰略合作伙伴AMPower預測，銅合金的年增長(cháng)率將達到46.6%。

銅雖然因其導熱和導電性能而已被廣泛應用于各行各業(yè)，但與鎳基和鈦基合金相比，增材制造社區的采用速度并不快。然而，這種情況正在迅速改變。隨著(zhù)航空航天和汽車(chē)行業(yè)尋求增材制造來(lái)實(shí)現急需的性能改進(jìn)，銅應用越來(lái)越受到關(guān)注。

本期，3D科學(xué)谷結合GE的EBM電子束增材制造技術(shù)在銅領(lǐng)域的應用發(fā)展，與谷友一起來(lái)洞悉電子束銅增材制造的別有洞天。



▲3D打印銅的各種技術(shù)

3D科學(xué)谷《銅金屬3D打印白皮書(shū)》第二版

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銅的特性與3D打印技術(shù)恰到好處的結合

純銅及銅合金由于極好的導電、導熱、耐腐蝕性及韌性等特點(diǎn)，被廣泛應用于電力、散熱、管道、裝飾等領(lǐng)域，有的銅合金材料因具有良好的導電、導熱性和較高強度，被廣泛應用于制造航空、航天發(fā)動(dòng)機燃燒室部件。但是隨著(zhù)應用端對于復雜結構零部件的需求增多，傳統加工工藝已逐漸無(wú)法滿(mǎn)足需求。3D打印技術(shù)具有可成形復雜結構零部件，材料利用率高，無(wú)需模具等優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)在制備復雜功能集成的純銅或銅合金散熱器與熱交換器、尾噴管、電機繞組等零部件方面具有巨大的應用潛力。

3D科學(xué)谷



▲3D打印各種金屬材料的市場(chǎng)消耗量（2020年及2025年預測）

AMPower

今天看到的制造業(yè)對銅的興趣主要是由電氣化應用驅動(dòng)的，在這些應用中，銅部件可以集成到現有系統內的空白空間中。電氣化應用的增加也產(chǎn)生了連鎖反應，因為越來(lái)越多的行業(yè)開(kāi)始考慮使用銅增材制造部件來(lái)解決他們的一些挑戰發(fā)動(dòng)機、熱交換器或感應線(xiàn)圈。

雖然 EBM 電子束3D打印技術(shù)生產(chǎn)的零件規模較小，但該技術(shù)在真空環(huán)境中運行，使零件能夠使用高純度銅合金，與其他增材制造模式相比，大大減少了污染的機會(huì )，從而生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)零件。

/為什么銅適合 EBM

增材制造可以為其用戶(hù)提供傳統制造方法無(wú)法提供的好處，例如復雜的內部設計結構或卓越的機械性能。每種增材方式都有其固有的優(yōu)勢，事實(shí)證明，EBM 的操作環(huán)境非常適合生產(chǎn)銅零件。

一方面與能量吸收有關(guān)，銅吸收能量的能力在很大程度上取決于能源的波長(cháng)。例如，純銅從電子束中吸收 80% 的能量，但從紅色激光中只能吸收 2% 的能量。使用 EBM電子束3D打印技術(shù)，銅吸收的額外能量使其更容易熔化并固化成功能性部件。其他方式可以通過(guò)在銅合金中添加其他元素來(lái)克服這一問(wèn)題，但這在提高材料機械性能的同時(shí)，大大降低了其導電性和導熱性。

另一個(gè)需要考慮的方面是污染。增材制造粉末原料通常由大小從 10μm 到 120μm 的顆粒組成，具體取決于模態(tài)。反過(guò)來(lái)，可用于吸氧的表面積（也稱(chēng)為氧化）高于傳統制造工藝。氧化是許多添加劑形式的問(wèn)題，特別是對于高純度銅；然而，EBM 真空環(huán)境可防止氧氣在固結過(guò)程中污染樣品。

由于銅中氧的存在會(huì )降低材料的導電性和伸長(cháng)率，因此 EBM 提供了一種解決方案來(lái)處理具有增強性能的材料和零件。如前所述，真空環(huán)境下還可以使用高純度銅進(jìn)行生產(chǎn)。

與其他增材制造技術(shù)相比，EBM 提供了幾何自由度、高生產(chǎn)率和高導電性的獨特組合。不過(guò)，如果要大規模增材制造生產(chǎn)銅部件，仍有一些工作要做。雖然內部加工環(huán)境沒(méi)有氧氣，但銅合金在儲存、處理和篩分過(guò)程中仍會(huì )吸收氧氣。因此，從存儲到最終零件的整個(gè)過(guò)程對于確保零件的性能至關(guān)重要而不僅僅是真空構建環(huán)境。

/用于電氣化應用的銅

電氣化中對銅部件的需求由來(lái)已久，尤其是在汽車(chē)和航空航天領(lǐng)域。在這些行業(yè)中有多個(gè)應用，其中通過(guò)EBM制造的銅零件越來(lái)越受到關(guān)注，因為它們可以提供導電性能，以及創(chuàng )建可以填充發(fā)動(dòng)機系統中現有空間的復雜形狀的能力。



▲3D打印銅的潛力應用-先進(jìn)熱管理

3D科學(xué)谷《銅金屬3D打印白皮書(shū)》第二版

一個(gè)很好的例子是母線(xiàn)，根據公開(kāi)市場(chǎng)信息，2019年全球銅母線(xiàn)市場(chǎng)規模達到了283億元，預計2026年將達到319億元，年復合增長(cháng)率(CAGR)為1.7%。

在許多情況下，母線(xiàn)是矩形的，不過(guò)對于許多車(chē)輛沒(méi)有傳統加工母線(xiàn)的空間，EBM提供了一種方法，可以將額外的電氣保護和配電層集成到所需材料中的許多車(chē)輛中。

使用 EBM 來(lái)創(chuàng )建母線(xiàn)還有助于創(chuàng )建比機械加工的同類(lèi)產(chǎn)品更好的材料特性。EBM 提供了一種在內部通道引入母線(xiàn)的方法，它可以充當冷卻機制。由于母線(xiàn)隨后將具有較低的熱負荷，因此與非通道母線(xiàn)相比，可以提高導電性。

/破除對EBM的誤解

有時(shí)我們會(huì )誤以為 EBM 無(wú)法實(shí)現銅幾何結構中的內部通道。對于其他材料，這種說(shuō)法在某種程度上是正確的，因為它們會(huì )形成燒結餅，這使得在后處理過(guò)程中去除任何殘留粉末具有挑戰性。然而，游戲已經(jīng)改變，這些問(wèn)題與銅的關(guān)系不大。



GE

EBM 工藝僅對銅進(jìn)行輕微燒結，因此與 Ti-64 相比，在后處理期間可以更輕松地去除任何殘留物。另一個(gè)誤解是大多數母線(xiàn)已經(jīng)有內部通道，但事實(shí)并非如此。使用增材制造在銅零件內創(chuàng )建這些內部冷卻通道的能力有助于將零件的性能提升到其他方式無(wú)法達到的水平。

/銅供應鏈如何延伸

所有供應鏈有時(shí)都會(huì )感到壓力，尤其是在采用新技術(shù)時(shí)?？纯串斀窨捎玫你~粉水平，如果大規模采用增材制造，那么目前的生產(chǎn)規模無(wú)法滿(mǎn)足汽車(chē)或航空航天部門(mén)的原料要求。



▲全球銅礦供應情況

3D科學(xué)谷《銅金屬3D打印白皮書(shū)》第二版

然而，就目前而言，如果銅材料的霧化僅滿(mǎn)足一般電氣化應用的原料需求，那么隨著(zhù)增材制造的銅應用進(jìn)入市場(chǎng)，銅供應鏈將進(jìn)一步延伸。

盡管如此，增材制造行業(yè)和一般行業(yè)都對銅材料有明顯的需求，因此需要在各個(gè)方面擴大原料生產(chǎn)。

根據3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，目前國際和國內活躍的增材制造領(lǐng)域銅金屬材料供應商包括：Elementum, CNPC Powder, GKN-吉凱恩, Carpenter, 德怡, HanaAMT, Sandvik-山特維克, Eckart, Heraeus,精研粉體，江蘇威拉里，鉑力特等等。



▲3D打印銅的材料供應商

3D科學(xué)谷《銅金屬3D打印白皮書(shū)》第二版



▲3D科學(xué)谷《銅金屬3D打印白皮書(shū)》

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