根據(jù)3D科學谷的市場觀察，隨著3D打印從航空航天和醫(yī)療領(lǐng)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(dǎo)。其中根據(jù)3D科學谷全球戰(zhàn)略合作伙伴AMPower預(yù)測，銅合金的年增長率將達到46.6%。

銅雖然因其導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能而已被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，但與鎳基和鈦基合金相比，增材制造社區(qū)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(yè)尋求增材制造來實現(xiàn)急需的性能改進，銅應(yīng)用越來越受到關(guān)注。

本期，3D科學谷結(jié)合GE的EBM電子束增材制造技術(shù)在銅領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展，與谷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(shù)

3D科學谷《銅金屬3D打印白皮書》第二版

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銅的特性與3D打印技術(shù)恰到好處的結(jié)合

純銅及銅合金由于極好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐腐蝕性及韌性等特點，被廣泛應(yīng)用于電力、散熱、管道、裝飾等領(lǐng)域，有的銅合金材料因具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性和較高強度，被廣泛應(yīng)用于制造航空、航天發(fā)動機燃燒室部件。但是隨著應(yīng)用端對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的需求增多，傳統(tǒng)加工工藝已逐漸無法滿足需求。3D打印技術(shù)具有可成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件，材料利用率高，無需模具等優(yōu)點，該技術(shù)在制備復(fù)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(yīng)用潛力。

3D科學谷



▲3D打印各種金屬材料的市場消耗量（2020年及2025年預(yù)測）

AMPower

今天看到的制造業(yè)對銅的興趣主要是由電氣化應(yīng)用驅(qū)動的，在這些應(yīng)用中，銅部件可以集成到現(xiàn)有系統(tǒng)內(nèi)的空白空間中。電氣化應(yīng)用的增加也產(chǎn)生了連鎖反應(yīng)，因為越來越多的行業(yè)開始考慮使用銅增材制造部件來解決他們的一些挑戰(zhàn)發(fā)動機、熱交換器或感應(yīng)線圈。

雖然 EBM 電子束3D打印技術(shù)生產(chǎn)的零件規(guī)模較小，但該技術(shù)在真空環(huán)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(chǎn)出優(yōu)質(zhì)零件。

/為什么銅適合 EBM

增材制造可以為其用戶提供傳統(tǒng)制造方法無法提供的好處，例如復(fù)雜的內(nèi)部設(shè)計結(jié)構(gòu)或卓越的機械性能。每種增材方式都有其固有的優(yōu)勢，事實證明，EBM 的操作環(huán)境非常適合生產(chǎn)銅零件。

一方面與能量吸收有關(guān)，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(shù)，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(dǎo)電性和導(dǎo)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(tài)。反過來，可用于吸氧的表面積（也稱為氧化）高于傳統(tǒng)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(huán)境可防止氧氣在固結(jié)過程中污染樣品。

由于銅中氧的存在會降低材料的導(dǎo)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(huán)境下還可以使用高純度銅進行生產(chǎn)。

與其他增材制造技術(shù)相比，EBM 提供了幾何自由度、高生產(chǎn)率和高導(dǎo)電性的獨特組合。不過，如果要大規(guī)模增材制造生產(chǎn)銅部件，仍有一些工作要做。雖然內(nèi)部加工環(huán)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(guān)重要而不僅僅是真空構(gòu)建環(huán)境。

/用于電氣化應(yīng)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(lǐng)域。在這些行業(yè)中有多個應(yīng)用，其中通過EBM制造的銅零件越來越受到關(guān)注，因為它們可以提供導(dǎo)電性能，以及創(chuàng)建可以填充發(fā)動機系統(tǒng)中現(xiàn)有空間的復(fù)雜形狀的能力。



▲3D打印銅的潛力應(yīng)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(jù)公開市場信息，2019年全球銅母線市場規(guī)模達到了283億元，預(yù)計2026年將達到319億元，年復(fù)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(tǒng)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(chuàng)建母線還有助于創(chuàng)建比機械加工的同類產(chǎn)品更好的材料特性。EBM 提供了一種在內(nèi)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(dǎo)電性。

/破除對EBM的誤解

有時我們會誤以為 EBM 無法實現(xiàn)銅幾何結(jié)構(gòu)中的內(nèi)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(jié)餅，這使得在后處理過程中去除任何殘留粉末具有挑戰(zhàn)性。然而，游戲已經(jīng)改變，這些問題與銅的關(guān)系不大。



GE

EBM 工藝僅對銅進行輕微燒結(jié)，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(shù)母線已經(jīng)有內(nèi)部通道，但事實并非如此。使用增材制造在銅零件內(nèi)創(chuàng)建這些內(nèi)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(yīng)鏈如何延伸

所有供應(yīng)鏈有時都會感到壓力，尤其是在采用新技術(shù)時。看看當今可用的銅粉水平，如果大規(guī)模采用增材制造，那么目前的生產(chǎn)規(guī)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(yīng)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(yīng)用的原料需求，那么隨著增材制造的銅應(yīng)用進入市場，銅供應(yīng)鏈將進一步延伸。

盡管如此，增材制造行業(yè)和一般行業(yè)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(chǎn)。

根據(jù)3D科學谷的市場研究，目前國際和國內(nèi)活躍的增材制造領(lǐng)域銅金屬材料供應(yīng)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(yīng)商

3D科學谷《銅金屬3D打印白皮書》第二版



▲3D科學谷《銅金屬3D打印白皮書》

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