銅及銅合金材料是一種重要的工業(yè)材料，具有優(yōu)良的導電、導熱和耐腐蝕性能，且具有良好的力學性能和加工成形性，是人類最早使用的金屬材料之一，曾創(chuàng)造了青銅器時代的輝煌。隨著高新技術產(chǎn)業(yè)的飛速進步，新材料朝著超高性能、高純度、高迭代的方向發(fā)展。純銅因其優(yōu)良的導電性和導熱性而聞名，是電路布線、熱交換器、管道和散熱器等傳熱部件材料的理想之選。
△由UPS-250打印加工完成的純銅樣品
突破傳統(tǒng)
3D打印可快速成形
純銅具有較大的發(fā)展?jié)摿蛻们熬埃请S著應用端對復雜結構零部件的需求增多，傳統(tǒng)制備純銅部件的工藝已無法滿足全部需求。相較于金屬粉末注射成形技術（MIM），3D打印散熱器或熱交換器組件不僅可以更大程度地滿足大尺寸的產(chǎn)品成型，而且還滿足了產(chǎn)品趨向緊湊型、高效性、模塊化、多材料的發(fā)展趨勢，特別適用于異形、結構一體化、薄壁、薄型翅片、微通道、復雜形狀、點陣結構等加工，可見，3D打印具有傳統(tǒng)制造技術所不具備的優(yōu)勢。
△升華三維間接3D打印流程
SLM、EBM遇難題
純銅3D打印挑戰(zhàn)重重
同時，也由于銅的導熱性和反射性高，使選區(qū)激光熔化技術（SLM）在進行銅合金零件3D打印時充滿挑戰(zhàn)。銅在激光熔化的過程吸收率低（銅對1050nm波長的高功率激光吸收率只有2~3%），激光難以持續(xù)熔化銅金屬粉末，從而導致成形效率低，冶金質(zhì)量難以控制。此外，銅的高延展性給去除多余粉末這樣的后處理工作增加了難度。因此純銅也極難使用基于激光的3D打印系統(tǒng)來加工。目前的解決方法一是利用短波長激光，如采用綠/藍激光來完成該材料制作，另一個是提高功率，常規(guī)激光器功率為200W，針對銅的SLM打印，激光功率則需要1000W，然而這對設備本身要求很高，激光器也因為反射率高容易損壞。
針對銅零部件的3D打印，其實電子束熔化技術（EBM）也算稍具優(yōu)勢，由于其使用的是電子束為熱源，不會受到SLM激光高反射因素的影響。但因銅具有高導電率，EBM打印過程會很短；又因銅的高導熱率，會導致打印的模型尺寸精度和力學性能各方面的可控性較差，打印的銅零件表面質(zhì)量不佳，這又將為銅感應線圈等應用的后處理帶來不便。
別有天地
PEP技術+純銅=無限可能
顯然，純銅3D打印技術的研究與開發(fā)面臨重重困難。國內(nèi)金屬·陶瓷間接3D打印引領者深圳升華三維科技有限公司的研究人員，通過自有專利，用獨有方式正在通過粉末擠出打印技術（Powder Extrusion printing，PEP），克服純銅材料3D打印制造領域的挑戰(zhàn)。在純銅3D打印上，升華三維一舉填補國內(nèi)空白，首創(chuàng)的PEP技術以間接3D打印的方式完美駕馭純銅材料，自由打印出純銅部件。
△由UPS-250打印加工完成的RF器模型
基于PEP技術，升華三維純銅3D打印不需要高能激光束，巧妙地避開了純銅打印過程中的高導熱率、高反射率的問題，通過先打印生坯，然后再經(jīng)過脫脂、燒結，得到純銅零件。在打印過程中，想要獲得高致密度或高導電導熱純銅制件，其純銅打印材料配方和脫脂燒結的工藝要求也非常高，升華三維純銅顆粒料UPGM-CU則十分適配于純銅3D打印，其保持原料高純凈度的同時還具有更易實現(xiàn)致密化的特性，能滿足不同銅零件的打印需求。
△由UPS-250打印加工完成的換熱器模型
升華三維自主研發(fā)的3D打印設備，可以加工純銅及其合金材料以制造致密的部件，目前已經(jīng)廣泛應用于熱交換器、散熱器和電感應器的產(chǎn)品開發(fā)中。例如，PEP這一技術在冷卻流道制造中的應用，升華三維通過提供完善的冷卻流道解決方案，將助力純銅零部件的性能提升到最優(yōu)。在此方案中，純銅3D打印冷卻流道的優(yōu)勢在于可以為產(chǎn)品設計帶來更高的自由度，使設計師可以嘗試具有更高熱傳導能力的先進結構，創(chuàng)建高度集成、復雜、更貼合零部件表面的隨形冷卻通道，打印出結構緊湊、流體通道復雜、重量更輕，尺寸更小、效率更高的產(chǎn)品零部件，實現(xiàn)高性能純銅組件制造的新可能，而這也正是航空航天和國防建設中所需要的。
