純銅制造面臨的挑戰(zhàn)
銅加工是我國有色金屬工業(yè)的重要組成部分。經(jīng)過多年的快速發(fā)展，我國已經(jīng)成為全球最大的銅材生產(chǎn)國和消費(fèi)國。銅部件通常采用金屬粉末注射成型 (MIM) 和如鍛造、機(jī)加工、擠壓、鑄造等傳統(tǒng)工藝制造，可以生產(chǎn)簡單的幾何形狀，但卻難以生產(chǎn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件，或者需要通過焊接等其他工藝來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜制造。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應(yīng)用市場高速發(fā)展的全部需求。而能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜零件一體化成形的增材制造（AM）技術(shù)優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)，在銅部件制作中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。
▲傳統(tǒng)工藝加工的銅零件（來源網(wǎng)絡(luò)）
特別是在減材制造工藝中，純銅是出了名的難用，它的的延展性經(jīng)常導(dǎo)致在減材制造操作中變形。因此，減材制造通常需要采用電導(dǎo)率和導(dǎo)熱性較低的銅合金。而在增材制造中，純銅材料的應(yīng)用雖然起步較晚，但近年來已呈現(xiàn)出快速發(fā)展的趨勢，特別是在國防軍工領(lǐng)域上銅的增材制造應(yīng)用不斷取得重要進(jìn)展，更促進(jìn)了銅材料增材制造的發(fā)展。純銅增材制造的不同工藝金屬增材制造目前最典型的工藝就是選擇性激光熔化（SLM）和電子束熔化(EBM)技術(shù)，同時(shí)也可打印純銅材料。但是由于銅金屬高反射、高導(dǎo)電、及高導(dǎo)熱，SLM工藝在激光熔化銅的過程中，吸收率低，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)量難以控制等問題。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。而EBM由于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，因此稍具優(yōu)勢。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(xué)性能各方面的可控性較差，因此打印的銅零件表面質(zhì)量不佳，這又給銅感應(yīng)線圈等應(yīng)用的后處理帶來不便。▲綠色SLM打印純銅（來源3D科學(xué)谷《銅金屬3D打印白皮書》）
然而純銅激光增材制造工藝中存在的挑戰(zhàn)也正在被逐漸克服。如采用綠色激光選區(qū)激光熔化系統(tǒng)（綠色SLM）的純銅制件力學(xué)性能和電導(dǎo)率都大大提升，反射率的減少可以使得加工過程更加穩(wěn)定而且高效。另外材料擠出、光聚合與粘結(jié)劑噴射工藝的銅3D打印工藝也實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。其中，基于燒結(jié)的粉末擠出打?。≒EP）技術(shù)巧妙避開了純銅打印過程中的高導(dǎo)熱、高反射問題，通過先打印生坯，然后再經(jīng)過成熟的粉末冶金脫脂和燒結(jié)工藝，得到結(jié)構(gòu)優(yōu)良的高性能純銅部件。有望為下一代導(dǎo)熱、導(dǎo)電零部件的制造帶來更多樣化的解決方案。PEP技術(shù)制造銅的優(yōu)勢PEP技術(shù)是由升華三維推出的“3D打印+粉末冶金”相結(jié)合的金屬／陶瓷間接3D打印工藝，利用了3D打印技術(shù)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、一體化、輕量化等技術(shù)特點(diǎn)，再充分發(fā)揮粉末冶金可加工材料廣泛，加工成本低等技術(shù)優(yōu)勢，為傳統(tǒng)制造數(shù)字化賦能。基于PEP技術(shù)3D打印純銅不需要高能激光束，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，然后再脫脂、燒結(jié)的工藝得到純銅部件。因其將熱加工過程轉(zhuǎn)移到燒結(jié)步驟，使得更容易管理熱應(yīng)力；而且燒結(jié)溫度低于其他類型的直接3D打印工藝中所需的完全熔化溫度，使得熱量可以更均勻地施加，從而確保了產(chǎn)品性能的一致性。▲升華三維打印的純銅換熱器
而在打印過程中，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(shí)還具有更易實(shí)現(xiàn)致密化的特性，能滿足不同純銅零件的打印需求。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。▲升華三維純銅打印產(chǎn)品性能數(shù)據(jù)
PEP技術(shù)成形工藝簡單，無需激光器件，具有低溫成型、高溫成性的特性?？山鉀Q如銅類高反射金屬對激光波段吸收率低，解決同時(shí)具備精細(xì)復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)和高性能純銅制造加工問題；打印材料制備方便，對原始粉末的球形度和流動性沒有嚴(yán)格要求，適用于粉末冶金工藝所用的粉末材料，并且打印材料可循環(huán)利用。為純銅材料制造加工難提供了有效途徑。賦能銅加工制造，升華三維力戰(zhàn)不怠近年來，面對復(fù)雜多變的國內(nèi)外宏觀經(jīng)濟(jì)形勢和發(fā)展環(huán)境，我國銅加工產(chǎn)業(yè)積極推進(jìn)轉(zhuǎn)方式、調(diào)結(jié)構(gòu)、促轉(zhuǎn)型，保持了行業(yè)的持續(xù)快速發(fā)展。目前，我國銅產(chǎn)業(yè)加工能力不斷提升，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，國產(chǎn)化水平不斷提高，整個(gè)行業(yè)呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的良好態(tài)勢。純銅增材制造可以大大降低制造周期和成本。其次，還可以制造出結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的零件，不僅提高了產(chǎn)品的精度，還可以實(shí)現(xiàn)定制化生產(chǎn)。這些優(yōu)勢使得純銅增材制造在各行各業(yè)都有廣泛的應(yīng)用前景。
