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洞悉电子束3D打印铜的别有洞天

2021-12-13 16:30     来源:3D科学谷     3D打印增材制造EBM技术
随着3D打印从航空航天和医疗领域走向更广阔的民用市场,铝合金、不锈钢、铜合金将逐渐占主导。其中根据3D科学谷全球战略合作伙伴AMPower预测,铜合金的年增长率将达到46.6%。

铜虽然因其导热和导电性能而已被广泛应用于各行各业,但与镍基和钛基合金相比,增材制造社区的采用速度并不快。然而,这种情况正在迅速改变。随着航空航天和汽车行业寻求增材制造来实现急需的性能改进,铜应用越来越受到关注。

本期,结合GE的EBM电子束增材制造技术在铜领域的应用发展,我们一起来洞悉电子束铜增材制造的别有洞天。


▲3D打印铜的各种技术© 3D科学谷《铜金属3D打印白皮书》第二版

铜的特性与3D打印技术恰到好处的结合

纯铜及铜合金由于极好的导电、导热、耐腐蚀性及韧性等特点,被广泛应用于电力、散热、管道、装饰等领域,有的铜合金材料因具有良好的导电、导热性和较高强度,被广泛应用于制造航空、航天发动机燃烧室部件。但是随着应用端对于复杂结构零部件的需求增多,传统加工工艺已逐渐无法满足需求。3D打印技术具有可成形复杂结构零部件,材料利用率高,无需模具等优点,该技术在制备复杂功能集成的纯铜或铜合金散热器与热交换器、尾喷管、电机绕组等零部件方面具有巨大的应用潜力。


▲3D打印各种金属材料的市场消耗量(2020年及2025年预测)© AMPower

今天看到的制造业对铜的兴趣主要是由电气化应用驱动的,在这些应用中,铜部件可以集成到现有系统内的空白空间中。电气化应用的增加也产生了连锁反应,因为越来越多的行业开始考虑使用铜增材制造部件来解决他们的一些挑战——发动机、热交换器或感应线圈。

虽然 EBM 电子束3D打印技术生产的零件规模较小,但该技术在真空环境中运行,使零件能够使用高纯度铜合金,与其他增材制造模式相比,大大减少了污染的机会,从而生产出优质零件。

为什么铜适合 EBM

增材制造可以为其用户提供传统制造方法无法提供的好处,例如复杂的内部设计结构或卓越的机械性能。每种增材方式都有其固有的优势,事实证明,EBM 的操作环境非常适合生产铜零件。

一方面与能量吸收有关,铜吸收能量的能力在很大程度上取决于能源的波长。例如,纯铜从电子束中吸收 80% 的能量,但从红色激光中只能吸收 2% 的能量。使用 EBM电子束3D打印技术,铜吸收的额外能量使其更容易熔化并固化成功能性部件。其他方式可以通过在铜合金中添加其他元素来克服这一问题,但这在提高材料机械性能的同时,大大降低了其导电性和导热性。

另一个需要考虑的方面是污染。增材制造粉末原料通常由大小从 10μm 到 120μm 的颗粒组成,具体取决于模态。反过来,可用于吸氧的表面积(也称为氧化)高于传统制造工艺。氧化是许多添加剂形式的问题,特别是对于高纯度铜;然而,EBM 真空环境可防止氧气在固结过程中污染样品。

由于铜中氧的存在会降低材料的导电性和伸长率,因此 EBM 提供了一种解决方案来处理具有增强性能的材料和零件。如前所述,真空环境下还可以使用高纯度铜进行生产。

与其他增材制造技术相比,EBM 提供了几何自由度、高生产率和高导电性的独特组合。不过,如果要大规模增材制造生产铜部件,仍有一些工作要做。虽然内部加工环境没有氧气,但铜合金在储存、处理和筛分过程中仍会吸收氧气。因此,从存储到最终零件的整个过程对于确保零件的性能至关重要——而不仅仅是真空构建环境。

用于电气化应用的铜

电气化中对铜部件的需求由来已久,尤其是在汽车和航空航天领域。在这些行业中有多个应用,其中通过EBM制造的铜零件越来越受到关注,因为它们可以提供导电性能,以及创建可以填充发动机系统中现有空间的复杂形状的能力。


▲3D打印铜的潜力应用-先进热管理© 3D科学谷《铜金属3D打印白皮书》第二版

一个很好的例子是母线,根据公开市场信息,2019年全球铜母线市场规模达到了283亿元,预计2026年将达到319亿元,年复合增长率(CAGR)为1.7%。

在许多情况下,母线是矩形的,不过对于许多车辆没有传统加工母线的空间,EBM提供了一种方法,可以将额外的电气保护和配电层集成到所需材料中的许多车辆中。

使用 EBM 来创建母线还有助于创建比机械加工的同类产品更好的材料特性。EBM 提供了一种在内部通道引入母线的方法,它可以充当冷却机制。由于母线随后将具有较低的热负荷,因此与非通道母线相比,可以提高导电性。

破除对EBM的误解

有时我们会误以为 EBM 无法实现铜几何结构中的内部通道。对于其他材料,这种说法在某种程度上是正确的,因为它们会形成烧结饼,这使得在后处理过程中去除任何残留粉末具有挑战性。然而,游戏已经改变,这些问题与铜的关系不大。


© GE

EBM 工艺仅对铜进行轻微烧结,因此与 Ti-64 相比,在后处理期间可以更轻松地去除任何残留物。另一个误解是大多数母线已经有内部通道,但事实并非如此。使用增材制造在铜零件内创建这些内部冷却通道的能力有助于将零件的性能提升到其他方式无法达到的水平。

铜供应链如何延伸

所有供应链有时都会感到压力,尤其是在采用新技术时。看看当今可用的铜粉水平,如果大规模采用增材制造,那么目前的生产规模无法满足汽车或航空航天部门的原料要求。


▲全球铜矿供应情况© 3D科学谷《铜金属3D打印白皮书》第二版

然而,就目前而言,如果铜材料的雾化仅满足一般电气化应用的原料需求,那么随着增材制造的铜应用进入市场,铜供应链将进一步延伸。

尽管如此,增材制造行业和一般行业都对铜材料有明显的需求,因此需要在各个方面扩大原料生产。

根据市场研究,目前国际和国内活跃的增材制造领域铜金属材料供应商包括:Elementum, CNPC Powder, GKN-吉凯恩, Carpenter, 德怡, HanaAMT, Sandvik-山特维克, Eckart, Heraeus,精研粉体,江苏威拉里,铂力特等等。


▲3D打印铜的材料供应商© 3D科学谷《铜金属3D打印白皮书》第二版
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