铜是一种具有良好导电、导热性的金属，而且它的可锻性和延展性也较好，同时还有抗腐蚀，甚至杀死细菌和病毒等能力。铜可用来生产导线、铜管、冷板、圆盘、歧管、散热器、热交换器、汇流条等，被广泛地应用于电气、机械制造、航空航天、国防军工等领域。如今铜已经是世界上消耗量第三大的工业金属。
纯铜制造面临的挑战
铜加工是我国有色金属工业的重要组成部分。经过多年的快速发展，我国已经成为全球最大的铜材生产国和消费国。铜部件通常采用金属粉末注射成型 (MIM) 和如锻造、机加工、挤压、铸造等传统工艺制造，可以生产简单的几何形状，但却难以生产复杂结构部件，或者需要通过焊接等其他工艺来实现复杂制造。随着应用端对复杂结构零部件的需求增多，传统制备纯铜部件的工艺已无法满足应用市场高速发展的全部需求。而能够实现复杂零件一体化成形的增材制造（AM）技术优势逐渐显现，在铜部件制作中展现出巨大的应用潜力。
▲传统工艺加工的铜零件（来源网络）
特别是在减材制造工艺中，纯铜是出了名的难用，它的的延展性经常导致在减材制造操作中变形。因此，减材制造通常需要采用电导率和导热性较低的铜合金。而在增材制造中，纯铜材料的应用虽然起步较晚，但近年来已呈现出快速发展的趋势，特别是在国防军工领域上铜的增材制造应用不断取得重要进展，更促进了铜材料增材制造的发展。
纯铜增材制造的不同工艺
金属增材制造目前最典型的工艺就是选择性激光熔化（SLM）和电子束熔化(EBM)技术，同时也可打印纯铜材料。但是由于铜金属高反射、高导电、及高导热，SLM工艺在激光熔化铜的过程中，吸收率低，激光难以持续熔化铜金属粉末，从而导致成形效率低，冶金质量难以控制等问题。此外，铜的高延展性给去除多余粉末这样的后处理工作增加了难度。而EBM由于使用的是电子束为热源，不会受到SLM激光高反射因素的影响，因此稍具优势。但因铜具有高导电率，EBM打印过程会很短；又因铜的高导热率，会导致打印的模型尺寸精度和力学性能各方面的可控性较差，因此打印的铜零件表面质量不佳，这又给铜感应线圈等应用的后处理带来不便。
▲绿色SLM打印纯铜（来源3D科学谷《铜金属3D打印白皮书》）
然而纯铜激光增材制造工艺中存在的挑战也正在被逐渐克服。如采用绿色激光选区激光熔化系统（绿色SLM）的纯铜制件力学性能和电导率都大大提升，反射率的减少可以使得加工过程更加稳定而且高效。另外材料挤出、光聚合与粘结剂喷射工艺的铜3D打印工艺也实现了商业化。其中，基于烧结的粉末挤出打印（PEP）技术巧妙避开了纯铜打印过程中的高导热、高反射问题，通过先打印生坯，然后再经过成熟的粉末冶金脱脂和烧结工艺，得到结构优良的高性能纯铜部件。有望为下一代导热、导电零部件的制造带来更多样化的解决方案。
PEP技术制造铜的优势
PEP技术是由升华三维推出的“3D打印+粉末冶金”相结合的金属／陶瓷间接3D打印工艺，利用了3D打印技术的复杂结构、一体化、轻量化等技术特点，再充分发挥粉末冶金可加工材料广泛，加工成本低等技术优势，为传统制造数字化赋能。PEP工艺在纯铜3D打印上一举填补国内空白。
基于PEP技术3D打印纯铜不需要高能激光束，巧妙地避开了纯铜打印过程中的高导热率、高反射率的问题，通过先打印生坯，然后再脱脂、烧结的工艺得到纯铜部件。因其将热加工过程转移到烧结步骤，使得更容易管理热应力；而且烧结温度低于其他类型的直接3D打印工艺中所需的完全熔化温度，使得热量可以更均匀地施加，从而确保了产品性能的一致性。
▲升华三维打印的纯铜换热器
而在打印过程中，想要获得高致密度或高导电导热纯铜制件，其纯铜打印材料配方和脱脂烧结的工艺要求也非常高，升华三维纯铜颗粒料UPGM-CU则十分适配于纯铜3D打印，其保持原料高纯净度的同时还具有更易实现致密化的特性，能满足不同纯铜零件的打印需求。升华三维自主研发的3D打印设备，可以加工纯铜及其合金材料以制造致密的部件，目前已经广泛应用于热交换器、散热器和电感应器的产品开发中。
▲升华三维纯铜打印产品性能数据
PEP技术成形工艺简单，无需激光器件，具有低温成型、高温成性的特性。可解决如铜类高反射金属对激光波段吸收率低，解决同时具备精细复杂几何结构和高性能纯铜制造加工问题；打印材料制备方便，对原始粉末的球形度和流动性没有严格要求，适用于粉末冶金工艺所用的粉末材料，并且打印材料可循环利用。为纯铜材料制造加工难提供了有效途径。
赋能铜加工制造，升华三维力战不怠
近年来，面对复杂多变的国内外宏观经济形势和发展环境，我国铜加工产业积极推进转方式、调结构、促转型，保持了行业的持续快速发展。目前，我国铜产业加工能力不断提升，应用领域不断扩大，国产化水平不断提高，整个行业呈现出蓬勃发展的良好态势。纯铜增材制造可以大大降低制造周期和成本。其次，还可以制造出结构更为复杂的零件，不仅提高了产品的精度，还可以实现定制化生产。这些优势使得纯铜增材制造在各行各业都有广泛的应用前景。
▲升华三维制备的纯铜结构件
升华三维作为中国金属/陶瓷间接3D打印引领者，拥有完全自主产权3D打印设备及打印材料，已掌握金属/陶瓷间接3D打印技术在打印装备及核心器件、成形材料、工艺及软件等关键核心技术并搭建成完整的增材制造工艺链。升华三维在材料配方、设备性能、打印及烧结工艺也在不断的改善，纯铜增材制造能力也将进一步地提升。随着我国铜加工制造业的不断升级，以及应用市场需求的高要求，升华将凭借着技术和工艺优势，赋能铜产业加工制造，提供卓越的3D打印整体解决方案和服务。为我国铜产业加工实现数字化转型发展贡献应有的力量。
来源：TCT亚洲视角
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