電子束精雕細(xì)琢，探索3D打印技術(shù)在如何引領(lǐng)著純銅制造業(yè)革命？
核心提示：一、引言純銅及銅合金以其卓越的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐腐蝕性及韌性等特點(diǎn)，在電力、散熱、管道、裝飾等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，傳
一、引言
純銅及銅合金以其卓越的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐腐蝕性及韌性等特點(diǎn)，在電力、散熱、管道、裝飾等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)加工工藝在應(yīng)對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的需求時(shí)逐漸顯露出局限性。3D 打印技術(shù)的出現(xiàn)，為純銅零部件的制造帶來了新的可能性。近年來，純銅 3D 打印技術(shù)不斷取得新進(jìn)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也日益拓展。
二、純銅 3D 打印技術(shù)新進(jìn)展
（一）綠光 3D 打印商業(yè)化的突破
純銅對(duì)綠激光（500nm-559nm）的吸收率接近 40%，相當(dāng)于常規(guī) SLM 用紅外激光的 8 倍。通快公司于 2018 年率先推出了第一款綠激光 3D 打印機(jī)，配備 515nm 的綠光激光器，打印的純銅實(shí)現(xiàn)了 100％IACS 的電導(dǎo)率和 99.9％的致密度。2023 年，國內(nèi)在綠激光 3D 打印設(shè)備商業(yè)化方面邁出重要一步，希禾增材推出 XH-M160G 設(shè)備，成為國內(nèi)首家、全球第二家推出商業(yè)化綠激光 LPBF 設(shè)備的廠商，采用自研 532nm 單模連續(xù)綠光光纖激光器（500W/700W/1000W 可選），實(shí)現(xiàn)了超過 100％IACS 的電導(dǎo)率和超過 99.6％的致密度。2024 年，希禾增材進(jìn)一步推出了打印尺寸達(dá) 350350500mm 的中大成型尺寸的綠激光 SLM 3D 打印機(jī) XH-M350G。據(jù)了解，該公司還將陸續(xù)研發(fā)上市 XH-M600G、XH-M650G、XH-M800G 等大尺寸、多激光產(chǎn)品，以滿足更多應(yīng)用場景的需求。
（二）藍(lán)光 3D 打印的研究進(jìn)展
純銅對(duì)藍(lán)色激光（400nm-500nm）的吸收率達(dá)到 65%，相當(dāng)于常規(guī) SLM 用紅外激光的 13 倍。雖然目前市場上尚沒有基于藍(lán)光的商業(yè) LPBF 設(shè)備出現(xiàn)，但相關(guān)研究正在積極推進(jìn)。日本研究人員于 2020 年首次報(bào)道采用藍(lán)色激光打印純銅。國內(nèi)方面，華南理工楊永強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)在 2021 年將 1070nm 的紅外光纖激光器與 450nm 的藍(lán)光半導(dǎo)體激光器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)紅外/藍(lán)光復(fù)合，可打印多種材料。2022 年，美國空軍“小企業(yè)創(chuàng)新研究”（SBIR）授予藍(lán)色激光專家 NUBURU 開發(fā)新金屬 3D 打印解決方案的任務(wù)，旨在獲得高金屬密度、微米級(jí)分辨率、零后處理，并將構(gòu)建速度提升 100 倍，且該裝備將具備區(qū)域打印能力。2023 年，Nuburu 與 GE Additive 簽署聯(lián)合技術(shù)協(xié)議，表達(dá)了采用藍(lán)色激光開發(fā)區(qū)域 LPBF 設(shè)備的計(jì)劃。
（三）電子束 3D 打印的改進(jìn)
電子束 3D 打印純銅具有諸多優(yōu)勢，如能吸收 80%的電子束能量，且真空環(huán)境可減少氧氣對(duì)銅導(dǎo)電性的影響。然而，其表面質(zhì)量較差一直是個(gè)問題。2023 年，GE Additive 公布了一種被稱為 Point Melt 的新掃描方式，將于 2024 年推出。通過精確控制每個(gè)點(diǎn)的能量以及點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離，可防止過多熱量傳輸，使零件無論怎樣擺放，每個(gè)面的粗糙度幾乎一致，分布在 RA8-18μm 之間，與激光 SLM 打印的零件縱向面粗糙度相當(dāng)，從而解決了表面過于粗糙的問題。
（四）七所高校聯(lián)合研究的重大突破
2024 年 2 月，來自昆士蘭大學(xué)、悉尼大學(xué)、丹麥技術(shù)大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、重慶大學(xué)、皇家墨爾本理工大學(xué)、莫納什大學(xué)的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在《自然通訊》發(fā)表了題為“Manufacturing of high strength and high conductivity copper with laser powder bed fusion”的文章。研究人員展示了一種高強(qiáng)度、高電導(dǎo)率銅 3D 打印的設(shè)計(jì)策略，通過激光粉末床熔融（L-PBF）將一小部分六硼化鑭（LaB6）納米粒子均勻分散在純銅中。所開發(fā)的 1.0LaB6 強(qiáng)化純銅具有極優(yōu)秀的機(jī)械性能和其他物理性能，其屈服強(qiáng)度為 347±2MPa，極限拉伸強(qiáng)度為 412±7MPa，斷裂伸長率為 22.8±1.2%，電導(dǎo)率為 98.4%IACS，熱導(dǎo)率為 387W·m?1·K?1。這一成果優(yōu)于紅外激光、綠激光和電子束打印的純銅性能，且強(qiáng)于 NASA 開發(fā)的 GRCop-42 和 GRCop-84。
三、實(shí)際應(yīng)用實(shí)例
（一）德國 Additive Drives 公司
該公司通過 3D 打印增材制造電動(dòng)機(jī)定子繞組，顯著改善了零件性能。在賽車引擎中，其帶 3D 打印電動(dòng)機(jī)定子繞組的設(shè)計(jì)，可使繞組到疊片鐵心的強(qiáng)制傳熱防止熱點(diǎn)形成，可變導(dǎo)體厚度減少電流位移，為獲得最佳性能而開發(fā)；在電動(dòng)車馬達(dá)方面，適用于電動(dòng)自行車的 3D 打印單線圈，可通過調(diào)整匝數(shù)來完美協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)矩行為，能應(yīng)用于不同類別的電動(dòng)自行車，具有極大的靈活性，無需工具調(diào)整；在牽引傳動(dòng)領(lǐng)域，3D 打印牽引電機(jī)的發(fā)夾式繞組，矩形銅棒代替了傳統(tǒng)的纏繞銅線，更易于自動(dòng)化，大大縮短了制造時(shí)間。
（二）蘇州倍豐智能科技有限公司
在吳鑫華院士帶領(lǐng)下，該公司成功解決純鎢打印過程中的難點(diǎn)，在 SP261 設(shè)備上實(shí)現(xiàn)了純鎢防散射柵格零部件的打印任務(wù)。使用該設(shè)備制造出的整體尺寸為 245x25x15mm 的防散射柵格件，壁厚最小達(dá)到 0.1mm，成形精度控制在 0.03mm 以內(nèi)，致密度高達(dá) 99%。同時(shí)，純鎢打印件的 100%透光率保證了鎢柵格在醫(yī)療實(shí)際應(yīng)用中的 CT 探測器性能要求。
（三）Exaddon 公司與生物傳感器和生物電子學(xué)實(shí)驗(yàn)室合作
由 Giorgio Ercolano 和 Tomaso Zambelli 教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，利用 3D 打印技術(shù)制造出了僅 1 毫米高的微縮版《大衛(wèi)》雕像，該雕像由純銅制成。其采用的微金屬打印方法核心部件是與懸臂梁連接的微移液管，可使研究人員用電化學(xué)方法將溶解的金屬沉積在導(dǎo)電襯底上，精確度很高，能夠一層一層地建造微小的金屬結(jié)構(gòu)。此技術(shù)首先引起了電子工業(yè)的興趣，可用于將計(jì)算機(jī)芯片連接在一起，或精確修復(fù)微電子系統(tǒng)。
四、未來市場規(guī)模發(fā)展趨勢預(yù)測
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、銅合金將逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。根據(jù) 3D 科學(xué)谷全球戰(zhàn)略合作伙伴 AMPower 預(yù)測，至 2027 年銅合金的年增長率將達(dá)到 46.6%。純銅及銅合金在散熱、導(dǎo)電等方面的優(yōu)勢，使其在電動(dòng)汽車、電動(dòng)摩托、牽引電機(jī)等領(lǐng)域的應(yīng)用需求不斷增加。例如，電動(dòng)機(jī)中更高的銅含量可減少損耗并改善繞組的熱耦合。
另外，3D 打印技術(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(jī)繞組等零部件方面具有巨大潛力，這將進(jìn)一步推動(dòng)純銅 3D 打印市場的發(fā)展。同時(shí)，隨著綠光、藍(lán)光 3D 打印技術(shù)的不斷成熟以及電子束 3D 打印表面質(zhì)量的改善，純銅 3D 打印的成本有望降低，效率和質(zhì)量將進(jìn)一步提高，從而吸引更多行業(yè)采用該技術(shù)，擴(kuò)大市場規(guī)模。
然而，純銅 3D 打印技術(shù)的發(fā)展也面臨一些挑戰(zhàn)。例如，相關(guān)設(shè)備和材料的成本較高，限制了其在一些對(duì)成本敏感領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用；技術(shù)的成熟度和穩(wěn)定性仍有待提高，需要進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)和質(zhì)量控制體系；此外，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的缺乏也可能影響市場的健康發(fā)展。
盡管存在挑戰(zhàn)，但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場需求的持續(xù)增長，純銅 3D 打印技術(shù)的未來發(fā)展前景依然廣闊。預(yù)計(jì)在未來幾年，該技術(shù)將在更多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破和創(chuàng)新應(yīng)用，為制造業(yè)帶來新的變革和機(jī)遇。各企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)也將加大研發(fā)投入，推動(dòng)純銅 3D 打印技術(shù)不斷完善和發(fā)展，以滿足不同行業(yè)對(duì)高性能、復(fù)雜結(jié)構(gòu)純銅零部件的需求。同時(shí)，政府和行業(yè)組織也將加強(qiáng)合作，制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，促進(jìn)純銅 3D 打印市場的有序發(fā)展。
綜上所述，純銅 3D 打印技術(shù)正處于快速發(fā)展階段，新的技術(shù)進(jìn)展不斷涌現(xiàn)，應(yīng)用實(shí)例逐漸增多，市場規(guī)模有望持續(xù)擴(kuò)大。在未來，該技術(shù)將在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用，為推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)和創(chuàng)新發(fā)展提供有力支持。但要實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用和更大規(guī)模的市場增長，還需要解決當(dāng)前存在的一些問題，不斷提升技術(shù)水平和降低成本，以滿足不同用戶的需求。
原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_552051.html
來源：賢集網(wǎng)
著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
純銅及銅合金以其卓越的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐腐蝕性及韌性等特點(diǎn)，在電力、散熱、管道、裝飾等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)加工工藝在應(yīng)對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的需求時(shí)逐漸顯露出局限性。3D 打印技術(shù)的出現(xiàn)，為純銅零部件的制造帶來了新的可能性。近年來，純銅 3D 打印技術(shù)不斷取得新進(jìn)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也日益拓展。
二、純銅 3D 打印技術(shù)新進(jìn)展
（一）綠光 3D 打印商業(yè)化的突破
純銅對(duì)綠激光（500nm-559nm）的吸收率接近 40%，相當(dāng)于常規(guī) SLM 用紅外激光的 8 倍。通快公司于 2018 年率先推出了第一款綠激光 3D 打印機(jī)，配備 515nm 的綠光激光器，打印的純銅實(shí)現(xiàn)了 100％IACS 的電導(dǎo)率和 99.9％的致密度。2023 年，國內(nèi)在綠激光 3D 打印設(shè)備商業(yè)化方面邁出重要一步，希禾增材推出 XH-M160G 設(shè)備，成為國內(nèi)首家、全球第二家推出商業(yè)化綠激光 LPBF 設(shè)備的廠商，采用自研 532nm 單模連續(xù)綠光光纖激光器（500W/700W/1000W 可選），實(shí)現(xiàn)了超過 100％IACS 的電導(dǎo)率和超過 99.6％的致密度。2024 年，希禾增材進(jìn)一步推出了打印尺寸達(dá) 350350500mm 的中大成型尺寸的綠激光 SLM 3D 打印機(jī) XH-M350G。據(jù)了解，該公司還將陸續(xù)研發(fā)上市 XH-M600G、XH-M650G、XH-M800G 等大尺寸、多激光產(chǎn)品，以滿足更多應(yīng)用場景的需求。
（二）藍(lán)光 3D 打印的研究進(jìn)展
純銅對(duì)藍(lán)色激光（400nm-500nm）的吸收率達(dá)到 65%，相當(dāng)于常規(guī) SLM 用紅外激光的 13 倍。雖然目前市場上尚沒有基于藍(lán)光的商業(yè) LPBF 設(shè)備出現(xiàn)，但相關(guān)研究正在積極推進(jìn)。日本研究人員于 2020 年首次報(bào)道采用藍(lán)色激光打印純銅。國內(nèi)方面，華南理工楊永強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)在 2021 年將 1070nm 的紅外光纖激光器與 450nm 的藍(lán)光半導(dǎo)體激光器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)紅外/藍(lán)光復(fù)合，可打印多種材料。2022 年，美國空軍“小企業(yè)創(chuàng)新研究”（SBIR）授予藍(lán)色激光專家 NUBURU 開發(fā)新金屬 3D 打印解決方案的任務(wù)，旨在獲得高金屬密度、微米級(jí)分辨率、零后處理，并將構(gòu)建速度提升 100 倍，且該裝備將具備區(qū)域打印能力。2023 年，Nuburu 與 GE Additive 簽署聯(lián)合技術(shù)協(xié)議，表達(dá)了采用藍(lán)色激光開發(fā)區(qū)域 LPBF 設(shè)備的計(jì)劃。
（三）電子束 3D 打印的改進(jìn)
電子束 3D 打印純銅具有諸多優(yōu)勢，如能吸收 80%的電子束能量，且真空環(huán)境可減少氧氣對(duì)銅導(dǎo)電性的影響。然而，其表面質(zhì)量較差一直是個(gè)問題。2023 年，GE Additive 公布了一種被稱為 Point Melt 的新掃描方式，將于 2024 年推出。通過精確控制每個(gè)點(diǎn)的能量以及點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離，可防止過多熱量傳輸，使零件無論怎樣擺放，每個(gè)面的粗糙度幾乎一致，分布在 RA8-18μm 之間，與激光 SLM 打印的零件縱向面粗糙度相當(dāng)，從而解決了表面過于粗糙的問題。
（四）七所高校聯(lián)合研究的重大突破
2024 年 2 月，來自昆士蘭大學(xué)、悉尼大學(xué)、丹麥技術(shù)大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、重慶大學(xué)、皇家墨爾本理工大學(xué)、莫納什大學(xué)的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在《自然通訊》發(fā)表了題為“Manufacturing of high strength and high conductivity copper with laser powder bed fusion”的文章。研究人員展示了一種高強(qiáng)度、高電導(dǎo)率銅 3D 打印的設(shè)計(jì)策略，通過激光粉末床熔融（L-PBF）將一小部分六硼化鑭（LaB6）納米粒子均勻分散在純銅中。所開發(fā)的 1.0LaB6 強(qiáng)化純銅具有極優(yōu)秀的機(jī)械性能和其他物理性能，其屈服強(qiáng)度為 347±2MPa，極限拉伸強(qiáng)度為 412±7MPa，斷裂伸長率為 22.8±1.2%，電導(dǎo)率為 98.4%IACS，熱導(dǎo)率為 387W·m?1·K?1。這一成果優(yōu)于紅外激光、綠激光和電子束打印的純銅性能，且強(qiáng)于 NASA 開發(fā)的 GRCop-42 和 GRCop-84。
三、實(shí)際應(yīng)用實(shí)例
（一）德國 Additive Drives 公司
該公司通過 3D 打印增材制造電動(dòng)機(jī)定子繞組，顯著改善了零件性能。在賽車引擎中，其帶 3D 打印電動(dòng)機(jī)定子繞組的設(shè)計(jì)，可使繞組到疊片鐵心的強(qiáng)制傳熱防止熱點(diǎn)形成，可變導(dǎo)體厚度減少電流位移，為獲得最佳性能而開發(fā)；在電動(dòng)車馬達(dá)方面，適用于電動(dòng)自行車的 3D 打印單線圈，可通過調(diào)整匝數(shù)來完美協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)矩行為，能應(yīng)用于不同類別的電動(dòng)自行車，具有極大的靈活性，無需工具調(diào)整；在牽引傳動(dòng)領(lǐng)域，3D 打印牽引電機(jī)的發(fā)夾式繞組，矩形銅棒代替了傳統(tǒng)的纏繞銅線，更易于自動(dòng)化，大大縮短了制造時(shí)間。
（二）蘇州倍豐智能科技有限公司
在吳鑫華院士帶領(lǐng)下，該公司成功解決純鎢打印過程中的難點(diǎn)，在 SP261 設(shè)備上實(shí)現(xiàn)了純鎢防散射柵格零部件的打印任務(wù)。使用該設(shè)備制造出的整體尺寸為 245x25x15mm 的防散射柵格件，壁厚最小達(dá)到 0.1mm，成形精度控制在 0.03mm 以內(nèi)，致密度高達(dá) 99%。同時(shí)，純鎢打印件的 100%透光率保證了鎢柵格在醫(yī)療實(shí)際應(yīng)用中的 CT 探測器性能要求。
（三）Exaddon 公司與生物傳感器和生物電子學(xué)實(shí)驗(yàn)室合作
由 Giorgio Ercolano 和 Tomaso Zambelli 教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，利用 3D 打印技術(shù)制造出了僅 1 毫米高的微縮版《大衛(wèi)》雕像，該雕像由純銅制成。其采用的微金屬打印方法核心部件是與懸臂梁連接的微移液管，可使研究人員用電化學(xué)方法將溶解的金屬沉積在導(dǎo)電襯底上，精確度很高，能夠一層一層地建造微小的金屬結(jié)構(gòu)。此技術(shù)首先引起了電子工業(yè)的興趣，可用于將計(jì)算機(jī)芯片連接在一起，或精確修復(fù)微電子系統(tǒng)。
四、未來市場規(guī)模發(fā)展趨勢預(yù)測
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、銅合金將逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。根據(jù) 3D 科學(xué)谷全球戰(zhàn)略合作伙伴 AMPower 預(yù)測，至 2027 年銅合金的年增長率將達(dá)到 46.6%。純銅及銅合金在散熱、導(dǎo)電等方面的優(yōu)勢，使其在電動(dòng)汽車、電動(dòng)摩托、牽引電機(jī)等領(lǐng)域的應(yīng)用需求不斷增加。例如，電動(dòng)機(jī)中更高的銅含量可減少損耗并改善繞組的熱耦合。
另外，3D 打印技術(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(jī)繞組等零部件方面具有巨大潛力，這將進(jìn)一步推動(dòng)純銅 3D 打印市場的發(fā)展。同時(shí)，隨著綠光、藍(lán)光 3D 打印技術(shù)的不斷成熟以及電子束 3D 打印表面質(zhì)量的改善，純銅 3D 打印的成本有望降低，效率和質(zhì)量將進(jìn)一步提高，從而吸引更多行業(yè)采用該技術(shù)，擴(kuò)大市場規(guī)模。
然而，純銅 3D 打印技術(shù)的發(fā)展也面臨一些挑戰(zhàn)。例如，相關(guān)設(shè)備和材料的成本較高，限制了其在一些對(duì)成本敏感領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用；技術(shù)的成熟度和穩(wěn)定性仍有待提高，需要進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)和質(zhì)量控制體系；此外，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的缺乏也可能影響市場的健康發(fā)展。
盡管存在挑戰(zhàn)，但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場需求的持續(xù)增長，純銅 3D 打印技術(shù)的未來發(fā)展前景依然廣闊。預(yù)計(jì)在未來幾年，該技術(shù)將在更多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破和創(chuàng)新應(yīng)用，為制造業(yè)帶來新的變革和機(jī)遇。各企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)也將加大研發(fā)投入，推動(dòng)純銅 3D 打印技術(shù)不斷完善和發(fā)展，以滿足不同行業(yè)對(duì)高性能、復(fù)雜結(jié)構(gòu)純銅零部件的需求。同時(shí)，政府和行業(yè)組織也將加強(qiáng)合作，制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，促進(jìn)純銅 3D 打印市場的有序發(fā)展。
綜上所述，純銅 3D 打印技術(shù)正處于快速發(fā)展階段，新的技術(shù)進(jìn)展不斷涌現(xiàn)，應(yīng)用實(shí)例逐漸增多，市場規(guī)模有望持續(xù)擴(kuò)大。在未來，該技術(shù)將在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用，為推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)和創(chuàng)新發(fā)展提供有力支持。但要實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用和更大規(guī)模的市場增長，還需要解決當(dāng)前存在的一些問題，不斷提升技術(shù)水平和降低成本，以滿足不同用戶的需求。
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來源：賢集網(wǎng)
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