天游线路检测中心 使用 3D 打印机进行铜建模：技术挑战和解决方法

铜因其优异的物理性能而被应用于热交换器、输电线路等各个领域。
使用 3D 打印机增材制造铜近年来备受关注，因为它可以创建使用传统制造方法无法实现的复杂形状。
本专栏提供了使用 3D 打印机进行铜建模的易于理解的说明。

1。为什么使用3D打印机进行铜建模受到关注？

铜具有高导热性、高导电性和优良的延展性等物理特性，使其成为现代工业中不可或缺的材料。例如，热交换器要求热交换效率高，因此内部管道可以采用铜管。铜还具有优异的导电性，因此铜用于印刷电路板图案和电力传输线。

此外，近年来，以可持续发展目标为代表的重视业务连续性的想法已变得普遍。这就是 3D 打印机可以派上用场的地方。许多公司和研究机构都在关注铜增材制造，认为3D打印机可以为进一步提高热交换器的效率和导电性做出贡献。使用 3D 打印机，您可以创建任何您想要的形状。可以获得用切割、切割、压制等传统施工方法不可能获得的形状。例如，许多公司正在考虑是否可以通过使用 3D 打印机为电动汽车电机中使用的线圈创建发夹零件来制造更高效的电机。如果电机的效率提高，电动汽车的续航里程就会增加。此外，能够高效利用能源还可以减少火力发电厂的二氧化碳排放量。这将使我们更接近可持续发展目标所倡导的可持续业务。这同样适用于热交换器等。利用自由形状的高效产品的出现最终将导致一次能源消耗的减少和对环境影响低的工业的实现。

2。可以打印铜的3D打印机类型

可以使用铜或铜合金作为原料粉末的3D打印机可以按类型分类如下。

• 粉末床 (PBF) 方法（激光/电子束）
• DED方法
• FDM 方法
• 粘合剂喷射法

每种建模方法的特点在下面的列中进行了解释，所以请看一下。

3。 3D打印机用铜材料比较

3-1。纯铜与铜合金的比较

金属3D打印机使用的铜材料大致分为“纯铜”和“铜合金”。每种材料都有不同的特性，根据应用选择合适的材料。

纯铜具有极高的导电性和导热性，使其适用于承载大电流的母线、电极、散热器等。这些应用需要有效传输电力和热量，因此利用了纯铜的特性。然而，纯铜在高温下容易失去强度，并且当温度超过约300°C时会发生氧化，因此在高温环境下使用时必须小心。另外，使用激光法进行建模比较困难，而使用电子束法则可以进行更稳定的建模。另一方面，铜合金比纯铜具有更高的机械强度和耐热性，使其适合在高温环境下使用以及需要耐磨的零件。例如，铬锆铜合金（CuCrZr）即使在高温下也能轻松保持其强度，用于火箭喷嘴和汽车发动机零件等应用。镍铜合金（Cu-Ni）还具有高抗氧化性，通常用于海洋环境。铜合金不具有与纯铜相同的导热性或导电性，但其改进的强度和耐热性使其能够用于广泛的应用。此外，由于它很容易使用激光方法进行打印，因此在考虑使用 3D 打印机进行制造时，它具有比纯铜更容易处理的优点。

3-2。粉末材料与线材的比较

按材料形状分类，典型的是“粉末”和“线材”。

铜粉用于粉末床法、DED法和粘合剂喷射法，其中粉末床法的特点是密度高，能够制造精细和复杂的形状。粉末材料易于保证质量均匀，能最大限度地发挥纯铜及铜合金的性能。但打印速度稍慢，粉末的处理和管理也较困难。此外，粉末的重复使用和储存时必须小心，还需要采取环境管理和安全措施。
另一方面，DED 方法中使用线材。特别是，使用电弧放电作为热源的方法称为电弧增材制造（WAAM）。使用线材的方法比粉末材料的层压速度更快，适合制造大型零件和维修工作。线材原料供应稳定，性价比高。这是一个很大的优势，特别是当需要打印或快速制造大型零件时。另一种方法是熔融沉积成型（FDM），它使用与铜颗粒混合的细丝作为原材料。

4。铜3D打印的挑战与解决方案

使用金属 3D 打印机对铜进行建模时存在一些挑战。在这里，我们将讨论三个问题，并针对每个问题提供使用激光和电子束方法的解决方案。

问题1：纯铜的高反射率

纯铜在金属表面的反射率很高，因此由于其能量吸收效率较低，很难用常用的光纤激光器熔化。
我们将介绍三种解决此问题的方法：“改变激光波长”、“增加激光输出”和“采用电子束方法”。

·改变激光波长
铜的激光吸收率根据波长的不同而变化很大。
红外激光的吸收率仅为5%左右，但波长较短的绿光和蓝光激光的能量吸收率较高，更容易熔化。
然而，绿色和蓝色激光器很难获得高输出，并且配备它们的3D打印机型号仍然不多。

·增加激光输出
通过提高激光的功率，提高其能量密度，即使大部分被反射，也可以将其局部熔化。

·采用电子束法
电子束能量转换效率高达80%以上，因此比激光更适合对纯铜进行建模。纯铜导热率高，即使熔化也会很快冷却凝固，很难利用激光实现高密度。然而，电子束具有高功率和高效率，并且需要预热的热工艺使得创建高密度结构成为可能。

问题 2：氧化导致质量下降

铜容易与氧反应，成型时如果生成氧化铜，会导致强度和导电率下降。作为抑制造型时氧化的措施，激光方法包括在氩气或氮气等惰性气体环境中进行造型，以及使用经过表面处理的粉末材料。
另一方面，电子束法是在真空环境下进行建模，因此可以最大限度地减少氧化的影响。

问题3：残余应力引起的翘曲和开裂

残余应力是指即使去除外力后仍保留在材料内部的力。
使用 3D 打印机打印金属时，材料会因反复加热和冷却而膨胀和收缩。此时，即使身体的一部分迅速冷却并试图收缩，周围的部分也会阻止它，并且内部会残留有拉力或推力。这就是残余应力。
如果残余应力积聚在建模对象中，可能会导致翘曲或破裂。

减少残余应力变形的解决方案包括在打印过程中预热，以减少熔化和冷却之间的温差，通过修改打印物体的形状、打印角度以及支撑材料的附着方式来控制整体变形，以及通过修改激光的扫描方向来利用残余应力的局部各向异性。

5。使用 3D 铜建模的示例

我们想介绍一下JEOL的案例，该公司选择纯铜代替铜合金，并推出了电子束金属3D打印机。

6。总结

铜因其优异的性能而被应用于广泛的领域，近年来，用金属3D打印机制造的铜零件也开始投入使用。但铜造型还存在很多技术问题，需要选择合适的造型方法和材料形状。

每种方法，如激光法或电子束法，都有其优点，最好综合考虑纯铜与铜合金、粉末与线材的差异来选择最合适的造型方法。

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