铜3D打印指南

魔猴君  科技前沿   15天前

铜以其红橙色的色泽而闻名，并因其卓越的物理性能而成为一种广受欢迎的金属。这些特性使其成为众多行业的关键元素，从电子产品到成品组件的制造，无所不包。随着3D打印技术的进步，铜的应用领域也日趋广泛，使得以往难以实现的复杂定制设计成为可能。为了更好地了解铜的特性、它为3D打印部件带来的优势以及市场上的领先制造商，请阅读本指南。

材料特性

铜（Cu），原子序数为29，是一种化学元素。它是世界上第三大常用金属，仅次于铁和铝，并且在增材制造领域也越来越受欢迎。铜的受欢迎程度源于其优异的性能，尤其是导电性。由于其良好的导电性、延展性和可塑性，铜是制造电子元件最常用的金属之一。在3D打印领域，我们发现了各种铜基合金，每种合金都略有不同。以下列出了一些最常见的合金及其具体特性：

Cu（纯铜）：具有优异的导电性和导热性，用于电子元件；

CuCrZr（铜铬锆）：提高抗变形能力和硬度；

CuCP（磷铜）：耐腐蚀且具有良好的延展性；

镀锡铜（ CuSn）：提高耐腐蚀性和硬度；

CuNi30（铜镍合金 30）：具有耐腐蚀性和改进的机械性能。

铜粉。（图片来源：Inoxia）

这种材料的提取始于矿山（露天或地下），在那里，铜矿石从地下被开采出来。开采出来的矿石经过破碎和研磨，变成更小的颗粒，这有助于将铜从其他矿物中释放出来。随后，一系列工艺，例如浓缩、冶炼或电化学精炼，将原矿转化为不同纯度的金属及其合金。正是在这一转化阶段，决定了铜的形态（粉末或丝材），以便用于增材制造。

铜的3D打印

如前所述，铜具有良好的耐腐蚀性，能够延长打印部件在恶劣环境下的使用寿命。此外，通过适当的工艺优化，铜还能展现出优异的机械性能，包括硬度和耐磨性。然而，铜的3D打印也面临一些挑战。例如，其相对较低的熔点会使材料熔合变得复杂，并影响层间结合的质量。此外，铜的高导热性会导致冷却过程中出现变形问题，从而影响部件的尺寸精度。尽管如此，当铜应用于增材制造时，它仍然能够为要求最苛刻的行业制造出所需的部件。

如今，许多3D打印技术都兼容铜材，其中最常见的是基于粉末系统的技术。首先，金属粉末床熔融（L-PBF、DMLS 或 SLM）是一种用于制造几乎所有金属合金（包括铜）的最终用途零件和原型的工艺。该技术的质量、强度和密度远优于传统技术。电子束熔化（EBM）是另一种兼容铜合金的3D打印技术，非常适合高端原型制作和小批量生产。

3D打印铜部件（图片来源：EOS）

得益于粘结剂喷射成型工艺，该工艺能够加工粉末状材料，因此也可以制造铜制零件。虽然使用这种方法难以高密度加工纯铜，但一些公司已经开发出自己的解决方案来克服这一挑战。这使得他们能够利用增材制造的几何自由度和低成本优势，同时制造出这种导电金属零件。

另一种与铜兼容的增材制造技术是集中能量沉积（CED）。根据机器的不同，金属可以以粉末或丝材的形式存在。与其他金属技术不同，DED 3D打印依赖于通过实时熔化过程添加材料，这使得它在创建复杂几何形状方面具有更大的灵活性，并且能够修复现有部件。

最后，有两种通常用于塑料材料的技术，但在某些情况下也可以用于制造铜部件。这两种技术分别是挤出式3D打印（FFF/FDM）和光固化成型。对于前者，Markforged公司开发了能够加工金属丝的挤出解决方案。例如，Metal X就是一款FFF 3D打印机，它能够处理封装在塑料粘合剂中的金属粉末，并逐层沉积。打印完成后，部件必须经过清洗，然后放入烘箱中加热去除残留的粘合剂，使其具备所需的性能。至于第二种技术，Holo、Admatec和Incus等公司已经开发了各自的金属3D打印机，这些打印机兼容铜材，并基于液态光刻技术制造。

主要应用

鉴于铜的优良特性，其应用范围十分广泛。无论采用何种增材制造技术，铜的高导热性和导电性都使其脱颖而出。因此，许多公司使用这种材料来制造需要良好导电性的部件，例如感应线圈、电动汽车电机绕组、电磁线圈、波导和天线等等。

此外，它是一种非常有用的金属，可用于制造散热和热交换部件，例如冷却板、散热器和热管、热交换器、冷却装置、成型冷却模具镶件等。最后，在航空航天工业中，这种金属材料常用于推进系统和火箭发动机部件。

编译整理：3dnatives