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銅這種具有高導(dǎo)熱和高導(dǎo)電以及高延展性的金屬，同時還有抗腐蝕，甚至殺死細(xì)菌和病毒等能力，在航空航天、武器裝備等某些應(yīng)用場合甚至是必選材料。隨著眾多領(lǐng)域中復(fù)雜銅部件需求的增長，以3D打印技術(shù)制備銅的需求自然也開始走上前臺。可大多數(shù)人不知道的是，直到2018年之前，銅都是令3D打印行業(yè)最頭痛的難題之一！

一、純銅打印發(fā)展

2018年11月13日，法蘭克福國際精密成型及3D打印制造展覽會（Formnext）上，TRUMPF工業(yè)集團(tuán)展臺上的3D打印的純銅組件引起圍觀和轟動，這是業(yè)內(nèi)首次正式場合公開實(shí)現(xiàn)純銅3D打印。

一般來說鋁、鋼、鈦及其他合金，使用普通的SLM（激光選區(qū)激光熔化）3D打印機(jī)就可以處理，這是因?yàn)镾LM的光束源大多采取波長約1μm的紅外激光，而純銅對紅外激光的反射率超過90%，激光照射在銅表面會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，所以能量幾乎無法進(jìn)入材料內(nèi)部使之受熱熔化，這正是銅3D打印之所以令人頭痛的原因。為此，TRUMPF采用了更易被銅和金吸收的波長為515nm的綠色激光為3D打印能源，開發(fā)出了一種新的綠色激光選區(qū)激光熔化系統(tǒng)（綠色SLM），不僅降低了對激光能量的需求，同時也提供了聚焦精度。

在TRUMPF之后，包括GE（通用電氣）在內(nèi)的眾多領(lǐng)先企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)通過調(diào)整打印系統(tǒng)硬件、銅材特性以及開發(fā)替代SLM技術(shù)等方式，繼續(xù)探索其他具備可行性的銅增材制造技術(shù)。其中，粉末擠出打印路線雖然出現(xiàn)較晚，但是避開了純銅打印過程中的高導(dǎo)熱率、高反射率的問題，目前已成為包括純銅在內(nèi)眾多打印材料的首選方案！

二、升華三維純銅3D打印案例與粉末擠出打印技術(shù)PEP

深圳升華三維科技有限公司專注于金屬/陶瓷間接3D打印裝備及材料研發(fā)生產(chǎn)，提供從金屬/陶瓷3D打印機(jī)、多材料打印，后處理設(shè)備到打印服務(wù)的高性能間接3D打印整體解決方案。純銅打印正是升華三維的拿手好戲之一。

間接金屬3D打印

2016年4月，升華三維首次推出了一種將“3D打印+粉末冶金”相結(jié)合的金屬/陶瓷間接3D打印技術(shù)--粉末擠出打印技術(shù)(Powder Extrusion printing，PEP)。區(qū)別于利用高強(qiáng)能量束燒結(jié)或熔化金屬等材料，同步獲得產(chǎn)品形狀和性能的直接3D打印技術(shù)，粉末擠出打印技術(shù)(PEP)是分步獲得產(chǎn)品的形狀與性能。

升華三維純銅3D打印案例

PEP技術(shù)創(chuàng)新性地通過3D打印實(shí)現(xiàn)對材料的控制和成形，滿足金屬/陶瓷零件的個性化定制，同時也突破了傳統(tǒng)激光3D打印運(yùn)營成本高、點(diǎn)線成形算法復(fù)雜打印效率低和性能不穩(wěn)定的限制，成為金屬零件批量打印的重點(diǎn)技術(shù)。其優(yōu)勢包括：

1、適用性強(qiáng)——利用粉末注射成形技術(shù)在材料開發(fā)和脫脂燒結(jié)階段成熟穩(wěn)定的技術(shù)體系，使產(chǎn)品性能—致性好。

2、打印材料體系豐富——從不銹鋼、鎢合金、高溫合金、難熔金屬、硬質(zhì)合金等金屬材料，到氧化鋯、氧化鋁、碳化硅、氮化硅、羥基磷灰石生物陶瓷等陶瓷材料，具有類同于PIM工藝所用的潛在材料清單為3D打印大規(guī)模進(jìn)入應(yīng)用市場創(chuàng)造有利的客觀條件；

3、性價比高——與直接3D打印技術(shù)相比，打印設(shè)備、打印材料及打印成本更低，成形精度高，有利于3D打印在工業(yè)制造應(yīng)用的推廣和普及。

4、綠色環(huán)保——打印材料可循環(huán)利用，有效利用率高。

PEP 打印技術(shù)在成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)方面具有天然優(yōu)勢，讓復(fù)雜結(jié)構(gòu)的隨形冷卻流道變得可能。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(shè)計帶來更高的自由度，使設(shè)計師可以嘗試具有更高熱傳導(dǎo)能力的先進(jìn)結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建高度集成、復(fù)雜、更貼合零部件表面的隨形冷卻通道，打印出結(jié)構(gòu)緊湊、流體通道復(fù)雜、重量更輕，尺寸更小、效率更高的產(chǎn)品零部件，實(shí)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(shè)中所需要的。

三、PEP技術(shù)核心基礎(chǔ)

很多事說起來容易，做起來卻難。PEP打印系統(tǒng)包括了打印設(shè)備、打印原材料、軟件與控制系統(tǒng)、打印工藝、前后處理、質(zhì)量檢測在內(nèi)全產(chǎn)業(yè)鏈的方方面面，任何環(huán)節(jié)掉鏈子，都會導(dǎo)致“木桶”效應(yīng)，其中最重要的就是打印設(shè)備和材料。

1、3D打印設(shè)備

面對即將爆發(fā)的制造變革和3D打印市場，升華三維基于PEP技術(shù)，已推出工業(yè)型獨(dú)立雙噴嘴3D打印機(jī)UPS-250及大尺寸獨(dú)立雙噴嘴3D打印機(jī)UPS-556兩款核心打印設(shè)備。均采用獨(dú)立雙噴嘴設(shè)計，可以同時打印或者各自輪流打印金屬和陶瓷不同種類材料的復(fù)合產(chǎn)品開發(fā)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品的成形，具有操作簡單、工業(yè)型、高精度、高質(zhì)量、高性價比等優(yōu)點(diǎn)，適用于科研教育、工業(yè)制造、航天航空、軍事國防、生物醫(yī)療、汽車、模具制造、新能源等領(lǐng)域的3D打印技術(shù)開發(fā)、材料開發(fā)和金屬/陶瓷產(chǎn)品快速開發(fā)制造。

2、原料定制

打印原料的開發(fā)需要粘合劑與不同粉末完美結(jié)合，以對應(yīng)在注塑工藝、生坯強(qiáng)度和粘合劑去除方面的不同需求，該材料體系總體要求達(dá)到低加工溫度，較低粘度以及綠色脫脂等。

回到文章開頭的純銅打印案例，純銅顆粒料UPGM-CU是升華三維為了適配于純銅3D打印而開發(fā)出來的打印材料，能滿足不同銅零件打印需求。產(chǎn)品性能數(shù)據(jù)如下所示：

1、生胚密度（g/cm3）：＞5.1

2、打印溫度（℃）：160-200

3、收縮系數(shù)：1.170-1.175

4、材料形狀：顆粒料

5、燒結(jié)密度（g/cm3）：＞8.75

6、相對密度（%）：＞97

隨著升華三維材料配方、設(shè)備性能、打印及燒結(jié)工藝的進(jìn)一步改善，純銅顆粒料UPGM-CU的產(chǎn)品性能還有更進(jìn)一步的提升空間。還開發(fā)出了適配于升華三維3D打印機(jī)的材料：不銹鋼、鎢及鎢合金、鈦及鈦合金、高溫合金、硬質(zhì)合金難熔金屬等金屬材料，及氧化鋯、氧化鋁、氮化硅、碳化硅等特種陶瓷材料，以滿足客戶的不同需求。在不斷拓展打印材料種類，優(yōu)化材料配方的同時，深挖具體應(yīng)用場景，為不同行業(yè)賦能。

總結(jié)

PEP技術(shù)節(jié)省了模具開發(fā)的制造和時間成本；拓展了高難度、高復(fù)雜性零件的加工能力，例如實(shí)現(xiàn)純銅隨形冷卻流道的設(shè)計制造，復(fù)雜結(jié)構(gòu)碳化硅陶瓷的大尺寸、輕量化、一體化制備等；下一步升華三維3D打印設(shè)備仍將繼續(xù)以用戶需求及行業(yè)應(yīng)用為導(dǎo)向，為“構(gòu)建3D打印的智造世界”做出更多探索和實(shí)踐。