銅及銅合金材料是一種重要的工業(yè)材料，具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和耐腐蝕性能，且具有良好的力學性能和加工成形性，是人類最早使用的金屬材料之一，曾創(chuàng)造了青銅器時代的輝煌。隨著高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的飛速進步，新材料朝著超高性能、高純度、高迭代的方向發(fā)展。純銅因其優(yōu)良的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性而聞名，是電路布線、熱交換器、管道和散熱器等傳熱部件材料的理想之選。
△由UPS-250打印加工完成的純銅樣品
突破傳統(tǒng)
3D打印可快速成形
純銅具有較大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景，但是隨著應(yīng)用端對復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的需求增多，傳統(tǒng)制備純銅部件的工藝已無法滿足全部需求。相較于金屬粉末注射成形技術(shù)（MIM），3D打印散熱器或熱交換器組件不僅可以更大程度地滿足大尺寸的產(chǎn)品成型，而且還滿足了產(chǎn)品趨向緊湊型、高效性、模塊化、多材料的發(fā)展趨勢，特別適用于異形、結(jié)構(gòu)一體化、薄壁、薄型翅片、微通道、復(fù)雜形狀、點陣結(jié)構(gòu)等加工，可見，3D打印具有傳統(tǒng)制造技術(shù)所不具備的優(yōu)勢。
△升華三維間接3D打印流程
SLM、EBM遇難題
純銅3D打印挑戰(zhàn)重重
同時，也由于銅的導(dǎo)熱性和反射性高，使選區(qū)激光熔化技術(shù)（SLM）在進行銅合金零件3D打印時充滿挑戰(zhàn)。銅在激光熔化的過程吸收率低（銅對1050nm波長的高功率激光吸收率只有2~3%），激光難以持續(xù)熔化銅金屬粉末，從而導(dǎo)致成形效率低，冶金質(zhì)量難以控制。此外，銅的高延展性給去除多余粉末這樣的后處理工作增加了難度。因此純銅也極難使用基于激光的3D打印系統(tǒng)來加工。目前的解決方法一是利用短波長激光，如采用綠/藍激光來完成該材料制作，另一個是提高功率，常規(guī)激光器功率為200W，針對銅的SLM打印，激光功率則需要1000W，然而這對設(shè)備本身要求很高，激光器也因為反射率高容易損壞。
針對銅零部件的3D打印，其實電子束熔化技術(shù)（EBM）也算稍具優(yōu)勢，由于其使用的是電子束為熱源，不會受到SLM激光高反射因素的影響。但因銅具有高導(dǎo)電率，EBM打印過程會很短；又因銅的高導(dǎo)熱率，會導(dǎo)致打印的模型尺寸精度和力學性能各方面的可控性較差，打印的銅零件表面質(zhì)量不佳，這又將為銅感應(yīng)線圈等應(yīng)用的后處理帶來不便。
別有天地
PEP技術(shù)+純銅=無限可能
顯然，純銅3D打印技術(shù)的研究與開發(fā)面臨重重困難。國內(nèi)金屬·陶瓷間接3D打印引領(lǐng)者深圳升華三維科技有限公司的研究人員，通過自有專利，用獨有方式正在通過粉末擠出打印技術(shù)（Powder Extrusion printing，PEP），克服純銅材料3D打印制造領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。在純銅3D打印上，升華三維一舉填補國內(nèi)空白，首創(chuàng)的PEP技術(shù)以間接3D打印的方式完美駕馭純銅材料，自由打印出純銅部件。
△由UPS-250打印加工完成的RF器模型
基于PEP技術(shù)，升華三維純銅3D打印不需要高能激光束，巧妙地避開了純銅打印過程中的高導(dǎo)熱率、高反射率的問題，通過先打印生坯，然后再經(jīng)過脫脂、燒結(jié)，得到純銅零件。在打印過程中，想要獲得高致密度或高導(dǎo)電導(dǎo)熱純銅制件，其純銅打印材料配方和脫脂燒結(jié)的工藝要求也非常高，升華三維純銅顆粒料UPGM-CU則十分適配于純銅3D打印，其保持原料高純凈度的同時還具有更易實現(xiàn)致密化的特性，能滿足不同銅零件的打印需求。
△由UPS-250打印加工完成的換熱器模型
升華三維自主研發(fā)的3D打印設(shè)備，可以加工純銅及其合金材料以制造致密的部件，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于熱交換器、散熱器和電感應(yīng)器的產(chǎn)品開發(fā)中。例如，PEP這一技術(shù)在冷卻流道制造中的應(yīng)用，升華三維通過提供完善的冷卻流道解決方案，將助力純銅零部件的性能提升到最優(yōu)。在此方案中，純銅3D打印冷卻流道的優(yōu)勢在于可以為產(chǎn)品設(shè)計帶來更高的自由度，使設(shè)計師可以嘗試具有更高熱傳導(dǎo)能力的先進結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建高度集成、復(fù)雜、更貼合零部件表面的隨形冷卻通道，打印出結(jié)構(gòu)緊湊、流體通道復(fù)雜、重量更輕，尺寸更小、效率更高的產(chǎn)品零部件，實現(xiàn)高性能純銅組件制造的新可能，而這也正是航空航天和國防建設(shè)中所需要的。
