洞悉電子束3D打印銅的別有洞天
隨著3D打印從航空航天和醫療領域走向更廣闊的民用市場，鋁合金、不銹鋼、銅合金將逐漸占主導。根據AMPower預測，銅合金的年增長率將達到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，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。隨著航空航天和汽車行業尋求增材制造來實現急需的性能改進，銅應用越來越受到關注。
本期，結合GE的EBM電子束增材制造技術在銅領域的應用發展，與網友一起來洞悉電子束銅增材制造的別有洞天。
3D打印銅的各種技術
© 3D科學谷《銅金屬3D打印白皮書》第二版
銅的特性與3D打印技術恰到好處的結合
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，被廣泛應用于電力、散熱、管道、裝飾等領域，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、航天發動機燃燒室部件。但是隨著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法滿足需求。3D打印技術具有可成形復雜結構零部件，材料利用率高，無需模具等優點，該技術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打印各種金屬材料的市場消耗量（2020年及2025年預測）
© AMPower
今天看到的制造業對銅的興趣主要是由電氣化應用驅動的，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生了連鎖反應，因為越來越多的行業開始考慮使用銅增材制造部件來解決他們的一些挑戰——發動機、熱交換器或感應線圈。雖然 EBM 電子束3D打印技術生產的零件規模較小，但該技術在真空環境中運行，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，從而生產出優質零件。
為什么銅適合 EBM
增材制造可以為其用戶提供傳統制造方法無法提供的好處，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勢，事實證明，EBM 的操作環境非常適合生產銅零件。一方面與能量吸收有關，銅吸收能量的能力在很大程度上取決于能源的波長。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，銅吸收的額外能量使其更容易熔化并固化成功能性部件。其他方式可以通過在銅合金中添加其他元素來克服這一問題，但這在提高材料機械性能的同時，大大降低了其導電性和導熱性。
另一個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。反過來，可用于吸氧的表面積（也稱為氧化）高于傳統制造工藝。氧化是許多添加劑形式的問題，特別是對于高純度銅；然而，EBM 真空環境可防止氧氣在固結過程中污染樣品。由于銅中氧的存在會降低材料的導電性和伸長率，因此 EBM 提供了一種解決方案來處理具有增強性能的材料和零件。如前所述，真空環境下還可以使用高純度銅進行生產。與其他增材制造技術相比，EBM 提供了幾何自由度、高生產率和高導電性的獨特組合。不過，如果要大規模增材制造生產銅部件，仍有一些工作要做。雖然內部加工環境沒有氧氣，但銅合金在儲存、處理和篩分過程中仍會吸收氧氣。因此，從存儲到最終零件的整個過程對于確保零件的性能至關重要——而不僅僅是真空構建環境。
用于電氣化應用的銅
電氣化中對銅部件的需求由來已久，尤其是在汽車和航空航天領域。在這些行業中有多個應用，其中通過EBM制造的銅零件越來越受到關注，因為它們可以提供導電性能，以及創建可以填充發動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-先進熱管理
© 3D科學谷《銅金屬3D打印白皮書》第二版
一個很好的例子是母線，根據公開市場信息，2019年全球銅母線市場規模達到了283億元，預計2026年將達到319億元，年復合增長率(CAGR)為1.7%。在許多情況下，母線是矩形的，不過對于許多車輛沒有傳統加工母線的空間，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輛中。使用 EBM 來創建母線還有助于創建比機械加工的同類產品更好的材料特性。EBM 提供了一種在內部通道引入母線的方法，它可以充當冷卻機制。由于母線隨后將具有較低的熱負荷，因此與非通道母線相比，可以提高導電性。
破除對EBM的誤解
有時我們會誤以為 EBM 無法實現銅幾何結構中的內部通道。對于其他材料，這種說法在某種程度上是正確的，因為它們會形成燒結餅，這使得在后處理過程中去除任何殘留粉末具有挑戰性。然而，游戲已經改變，這些問題與銅的關系不大。
© GE
EBM 工藝僅對銅進行輕微燒結，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。另一個誤解是大多數母線已經有內部通道，但事實并非如此。使用增材制造在銅零件內創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法達到的水平。
銅供應鏈如何延伸
所有供應鏈有時都會感到壓力，尤其是在采用新技術時。看看當今可用的銅粉水平，如果大規模采用增材制造，那么目前的生產規模無法滿足汽車或航空航天部門的原料要求。
全球銅礦供應情況
© 3D科學谷《銅金屬3D打印白皮書》第二版
然而，就目前而言，如果銅材料的霧化僅滿足一般電氣化應用的原料需求，那么隨著增材制造的銅應用進入市場，銅供應鏈將進一步延伸。
盡管如此，增材制造行業和一般行業都對銅材料有明顯的需求，因此需要在各個方面擴大原料生產。
根據3D科學谷的市場研究，目前國際和國內活躍的增材制造領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
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