中國(guó)化學(xué)工業(yè)桂林工程有限公司
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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?

   2024-07-09 集賢網(wǎng)9710
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(lái)了新的可能性。近年來(lái),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(guó)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(guó)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(guò) 100%IACS 的電導(dǎo)率和超過(guò) 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(chǎng)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(chǎng)上尚沒(méi)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(guó)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(guó)空軍“小企業(yè)創(chuàng)新研究”(SBIR)授予藍(lán)色激光專家 NUBURU 開(kāi)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(kāi)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(shì),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(wèn)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(guò)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(guò)多熱量傳輸,使零件無(wú)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(guò)于粗糙的問(wèn)題。


(四)七所高校聯(lián)合研究的重大突破


2024 年 2 月,來(lái)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(guò)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(kāi)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(zhǎng)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(kāi)發(fā)的 GRCop-42 和 GRCop-84。


三、實(shí)際應(yīng)用實(shí)例


(一)德國(guó) Additive Drives 公司


該公司通過(guò) 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(chē)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(kāi)發(fā);在電動(dòng)車(chē)馬達(dá)方面,適用于電動(dòng)自行車(chē)的 3D 打印單線圈,可通過(guò)調(diào)整匝數(shù)來(lái)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(chē),具有極大的靈活性,無(wú)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(guò)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(cè)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(lái)市場(chǎng)規(guī)模發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)


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(chǎng),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(cè),至 2027 年銅合金的年增長(zhǎng)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(shì),使其在電動(dòng)汽車(chē)、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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)需求的持續(xù)增長(zhǎng),純銅 3D 打印技術(shù)的未來(lái)發(fā)展前景依然廣闊。預(yù)計(jì)在未來(lái)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(lái)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(chǎng)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(chǎng)規(guī)模有望持續(xù)擴(kuò)大。在未來(lái),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(chǎng)增長(zhǎng),還需要解決當(dāng)前存在的一些問(wèn)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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