铜3D打印–终极指南

魔猴君  知识堂   164天前

铜是金属3D打印技术中发展最快的领域之一，从电机到散热器，铜都是人们追捧的对象。

以前，由于铜的反光性和高导热性，用铜进行3D打印是一项挑战。3D打印机和材料的进步在很大程度上解决了这些早期难题。如今，3D打印铜推进系统可将火箭送入太空，3D打印铜散热器可使CPU保持低温，3D打印铜线圈可提高电机性能。

铜作为电机、充电基础设施、太阳能和电池的重要组成部分，在全球可持续发展目标中发挥着巨大作用。事实上，标准普尔全球公司（S&P Global）2022年的一项研究预计，未来十年全球铜需求量将增长近一倍，而人们对铜矿的来源却越来越关注。

总部位于加州的航空航天零部件制造商Launcher于2022年成功测试了其3D打印铜火箭发动机（来源：Launcher）

为什么要3D打印铜？

铜具有导热、导电、抗腐蚀甚至杀死细菌和病毒的能力，因此一直是一种非常有用的金属。随着3D打印技术为这种金属带来更多应用和可能性，复杂铜制部件的需求也在不断增长。

3D打印（也称为快速成型制造）能够制造出异常复杂的形状、精细的细节、内部结构和晶格填充物，这是任何其他类型的金属制造都无法实现的。这些功能可减轻重量、提高效率并缩短制造和装配时间。与其他制造方法相比，3D打印所需的原材料更少，浪费也更少，此外，多部件组件可作为一个整体进行3D打印，这也在提高效率的同时减少了原材料的用量。对于对三维铜材打印感兴趣的公司来说，降低原材料成本至关重要。

如果您已经在生产定制铜零件，那么您或许可以通过3D打印技术在优化零件性能的同时大幅降低生产成本。此外，3D打印技术的另一大优势是可以生产用于测试的铜制零件原型，而无需像其他金属制造方法那样花费大量时间和金钱来制作模具。

3D打印铜的主要应用：

散热器

热交换器

感应线圈

电子设备

母线、发夹式定子、单线圈

天线

射频屏蔽

射频四极杆/导波板

这种3D打印射频四极杆是所有加速器复合体中最复杂的部件之一（来源：Trumpf）

3D打印铜的最新进展

在过去的一年中，3D打印铜的两种应用成为新闻焦点：火箭和医疗工具。

太空公司Ursa Major于去年7月交付了首个基于铜的3D打印火箭燃烧室。该公司表示，生产该部件只用了一个月时间，而传统制造工艺通常需要六个月。自2015年美国国家航空航天局（NASA）首次打印出铜燃烧室衬垫以来，越来越多的太空公司开始使用3D打印铜，Ursa Major公司也加入了这一行列。

2023年2月，加拿大不列颠哥伦比亚理工学院与矿业公司泰克资源有限公司（Teck Resources Limited）联合开设了泰克铜业创新中心（Teck Copper Innovation Hub）。该设施将容纳研究人员调查和开发微生物铜在医疗保健设备（如假肢和矫形器）中的新用途。

去年年底，3D打印机制造商通快公司（Trumpf）宣布，其TruPrint 5000绿色版打印机已用于快速制造粒子加速器的一个关键铜部件（上图），这让人们更加期待这些研究工具的制造成本会越来越低。

请继续阅读以了解更多有关技术和3D打印机的信息，这些技术和3D打印机使工程师、制造商和设计师能够重新想象铜的可能性。

Markforged的3D打印铜散热器（来源：Markforged）

使用铜打印的3D打印机

并非每台金属3D打印机都能打印铜，还有在打印技术和价格方面仍有相当大的差异。

如今，经济实惠的台式FDM打印机使用铜填充塑料长丝，可以打印出几乎100%含铜的铜饰品、装饰品和其他部件。对于更先进的制造工艺，使用铜粉、铜棒或铜和聚合物浆料的3D打印机可生产出具有优异机械和导电性能的工业零件，这些零件可达到IACS（国际退火铜标准）等国际标准。

让我们来看看当今可处理铜的打印机类型。

1、铜粉床熔融3D打印机

Trumpf的TruPrint 1000绿色版3D打印机（来源：Trumpf）

粉末床融合是最流行的金属3D打印方法，最近有几家机器制造商在其材料选择清单中引入了铜。由于铜具有高反射性，使用激光加工粉末对制造商来说是一个障碍。不过，这种技术和材料已经发展到可以应对挑战的程度。

例如，3D打印机制造商Trumpf开发了一种工业用绿色激光器，可用于3D打印铜、铜合金和贵金属等材料，而这些材料用红外线波长很难加工。蓝激光技术在铜加工方面也大有可为。

激光粉末床熔融（LPBF）和电子束熔融（EBM）这两种金属3D打印粉末床技术的工作原理是在打印机内的平台顶部铺上一层薄薄的铜粉。在激光或电子束追踪部件第一层的同时，粉末被加热。当层中的颗粒熔化后，平台略微下降到构建室中，新的粉末沉积在上面，整个过程重复进行。该过程中剩余的一些铜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铜粉（来源：GNK）

铜粉床融合3D打印机：

2、铜粘合剂喷射3D打印机

Digital Metal的P2500粘合剂喷射打印机也可以使用铜粉进行打印（来源：Digital Metal）

铜粉与液体结合剂结合，然后在熔炉中烧结，这是一种被称为粘合剂喷射的3D打印方法，它可以在不需要支撑材料的情况下生产零件，从而节省材料和劳动力。粘合剂喷射是一种无热工艺，在每层金属之间喷射一层粘合剂，然后在烧结过程中去除粘合剂。

由于粘合剂喷射通常比基于激光的方法更快，但需要烧结步骤，因此是大量金属零件增材制造的常用方法。

支持铜的粘结剂喷射3D打印机：

3、铜FDM和结合金属沉积3D打印机

使用Markforged的Metal X打印机3D打印铜零件（来源：Markforged）

3D打印铜零件最经济的方法是使用挤出长丝的机器。用于打印金属零件的金属丝由塑料基底和均匀注入的金属颗粒组成。用于铜零件的注铜长丝是一种独特的复合长丝，如果使用得当，可打印出坚固、耐化学腐蚀且近乎坚固的金属零件。

几乎所有带有加热床和硬化钢喷嘴（温度可达225ºC）的熔融沉积成型（FDM）打印机都能使用铜粉填充聚合物长丝打印出近乎坚固的金属零件。不过，刚从打印床上下来的部件并不是金属，打印后还需要额外的步骤来融化聚合物粘合剂，只留下金属。

目前，市场上唯一的选择是长丝制造商The Virtual Foundry。

其他类型的铜丝内部有足够的真铜颗粒，可以抛光并具有类似金属的重量，但这些铜丝主要用于装饰目的。

这款3D打印铜工具冷却器由位于德累斯顿的PTZ Prototypenzentrum设计，具有随形冷却通道，其设计无法使用传统方法制造。在Markforged Metal X上打印（来源：PTZ）

智利一家名为Copper3D的公司生产一种填充铜的长丝，这种长丝不生产金属部件，而是生产具有铜的抗菌和抑菌特性的部件。据该公司称，美国国家航空航天局（NASA）甚至正在测试这种用于"星际微生物污染"的长丝。

铜结合金属沉积

除了主流的FDM打印机外，还有两种挤出材料的打印机也提供铜，但它们使用的是自己的专有材料。Desktop Metal使用的是绑定金属丝，而Markforged使用的是绑定在塑料基体中的金属粉末。这些制造商的打印机生产的固体金属零件主要用于机床、感应线圈、散热器和功能原型等工业用途。与上述FDM方法一样，这些零件也需要在打印后去除聚合物并在熔炉中烧结。

铜制FDM三维成型机：

4、铜冷喷涂和DED 3D打印机

WarpSpee3D冷喷涂3D打印机（来源：Spee3D）

虽然这两种金属3D打印方法通常不会放在一起，但我们在此将它们合并在一起，因为它们共同的应用是在金属部件上涂覆另一种金属，并用金属粉末逐层堆积金属部件。

定向能量沉积（DED）是由总部位于新墨西哥州的Optomec公司开发的一种系统，用于创建、增强和修复金属部件。与金属激光粉末床熔融类似，在DED中，高功率激光逐层构建三维结构，生产出的零件密度高、强度大，非常适合机械应用。2019年，Optomec为铜开发了一种新的DED工艺，用于生产航空航天、化学加工和其他工业应用中使用的热交换器。

Spee3D的WarpSpee3D工艺独一无二，它采用超音速三维沉积技术，利用包括铜和铝在内的一系列金属粉末原料生产零件。

Spee3D 3D打印的铜制火箭喷嘴内衬、无火花铜制工程师锤和铜制电缆夹（来源：Spee3D）

冷喷是一种将金属粉末注入超音速加压气流的快速成型技术。冷喷技术不是熔化金属，而是在一种称为塑性变形的过程中粘合金属。Spee3D等公司利用冷喷技术为门、扶手和触摸板涂上抗菌铜涂层，供医院、学校和其他公共场所使用。

冷喷技术也是最快的金属3D打印方法。Spee3D公司表示，在WarpSpee3D上打印一个重17.9千克的纯铜航空火箭喷嘴内衬（如下图）仅用了3个小时，成本仅为716美元。像这样的部件通常是用纯铜加工而成的，加工过程需要数周时间，成本高达数万美元。

DED和冷喷的一个缺点是，它们在生产复杂几何形状时受到限制。

5、光聚合

来自Holo PureForm增材制造硬件的铜部件（来源：Holo）

液态树脂3D打印与精细细节有关，通常不被认为是金属3D打印工艺，但它确实是。

金属树脂3D打印与聚合物树脂3D打印类似，都是利用紫外线投射到一桶光敏液体上，使其逐层固化。金属树脂3D打印机使用的不是100%的聚合物树脂，而是一种液态聚合物浆料，其中悬浮着金属粉末和少量粘合剂。部件打印出来后，还需要经过更多步骤才能制成最终的金属部件。

总部位于加利福尼亚州的初创公司Holo最近建成了一座设施，计划用其专有的3D打印机3D打印纯铜零件，但这种打印机不对外销售。Holo将专注于为高性能计算机、电动汽车、射频天线和热交换器提供3D打印铜冷却解决方案。

荷兰3D打印机制造商Admatec也提供使用铜浆制造高精细铜部件的打印机，而总部位于奥地利的Incus公司则在其名为Incus Hammer Lab35的基于光刻技术的金属增材制造打印机上提供铜部件。

用于3D打印的铜浆材料（来源：Admatec）

编译整理：ALL3DP