金屬3D打印技術能夠製造複雜的功能集成零部件，這一優勢在銅金屬製造領域也同樣能夠得到體現，比如說在銅電感線圈製造領域，金屬3D打印技術就可以用於替代傳統制造工藝，直接製造複雜電感線圈, 避免對於組裝的需求和因焊接帶來的不足。

銅合金材料的增材製造工藝已獲得了發展，但純銅的3D打印仍存在着挑戰。美國SLAC國家加速器實驗室、北卡羅來納州立大學等機構的研究人員，正在通過改善銅粉末表面質量和電子束熔融（EBM）3D打印技術，克服純銅材料增材製造領域的挑戰。

3D科學谷對這一技術在粒子加速器和真空設備中的銅組件製造中取得的階段性成果進行了梳理。

銅金屬3D打印發展趨勢。來源：《銅金屬3D打印白皮書1.0》（近期發佈）

通過氫處理銅粉克服純銅3D打印挑戰

粒子加速器和真空設備中都需要一種導電性和導熱性能良好的零部件，銅金屬是適合這些應用的材料，因而在這一領域被廣泛使用。

這些應用對於銅的純度、密度和冶金性能（如晶體學紋理和晶粒尺寸）方面要求高，需要接近理論上可達到的最高質量。從製造的角度上來看，需要複雜的設計和廣泛的冶金工藝路線，然後將多個組件組裝、釺焊或焊接成最終零件。在傳統制造工藝中，每個銅組件都是單獨加工然後再焊接組裝的，將多個零件釺焊在一起需要大量時間，精度和維護，而且兩種相連的材料之間可能存在潛在的質量隱患。因此，研究團隊希望找到減少組裝的解決方案。

來源：SLAC/ North Carolina State University

金屬3D打印技術爲研究團隊進行銅部件的製造提供了新思路。研究中使用的打印材料爲高純度的銅粉。視頻中可以看到銅的3D打印過程，在計算機控制下，打印機進行逐層鋪粉和打印，電子束將材料加熱到約2000華氏度，將下一層材料與上一層焊接在一起。

可在粒子加速器中使用的3D打印銅組件樣品：帶有微冷卻通道的速降管輸出腔（左）和一組耦合的加速器腔。來源：SLAC

3D打印消除了傳統制造過程中固有的設計約束，並允許構建非常複雜功能集成零件。研究團隊在設計3D打印銅組件時利用了這一優勢，他們在研究過程中設計了一款集成內部冷卻通道的速降管組件（如圖），速降管是一種可放大射頻信號的專用真空管，這一功能集成組件的熱傳遞性能得到改善。

金屬3D打印技術爲銅組件的設計優化帶來了空間，但是銅的增材製造是充滿挑戰的。銅的高導熱率可迅速從熔池中帶走熱量，從而促進局部和整體形成高熱梯度，殘餘應力累積和失真。固結材料與周圍粉末牀之間的熱導率顯著差異加劇了變形和扭曲。熔池的快速固化和熔融銅的低粘度，也易於導致氣孔等缺陷。[1]

市場上多數選區激光熔化3D打印系統中使用的激光器的銅吸收率低，因此必須使用大功率激光器，這會增加反衝壓力、汽化、飛濺和相關缺陷。然而這些挑戰也逐漸得到克服，例如通過電子束熔融（EBM ）技術製造非電子級的銅組件密度可超過99.95%,通過帶有Nd:YAG光纖激光器的選區激光熔化（SLM） 技術製造的銅組件，密度可達96.6%。[1]

對於加速器應用而言，銅通常需要達到或超過1級無氧電子（OFE）銅的ASTM F68的要求，這些設備需要極高的質量和純淨的材料，以避免零件故障（例如破裂或真空泄漏）。儘管銅合金3D打印技術得到了發展，但進行高純度銅增材製造仍是困難的。研究團隊通過首先改善材料的表面質量，使用更細的銅粉並改變將層融合在一起的方式來解決這些挑戰。但是，使用更細的銅粉使更多的氧氣附着在銅粉上，增加了每層中的氧化物，使打印物體的純度降低。

研究團隊需要找到降低銅粉中氧氣含量的方法，他們採用的方法是通過氫氣將氧氣結合成水蒸氣，並將其驅離粉末。研究團隊表示，在銅部件的傳統制造中，水蒸氣的形成會在材料內部產生高壓蒸汽泡，材料會起泡並破裂，然而在增材製造過程中，水蒸氣逐層逸出，從而能夠更爲有效的釋放出水蒸氣。

與這一方法相關的研究論文發表於Applied Science 雜誌中，論文題爲“Characteristics and Processing of Hydrogen-Treated Copper Powders for EB-PBF Additive Manufacturing”。

目前，通過3D打印技術製造加速器和真空設備高純度銅組件的項目仍在進行中，研究團隊組建了增材製造銅屬性聯盟來推動項目下一步發展，聯盟成員中包括企業成員西門子和GE增材製造。

3D科學谷Review

兩種基於粉末牀熔融(PBF)的3D打印技術-選區激光熔化和電子束熔融，都在銅金屬3D打印領域得到了應用發展，材料主要爲銅基合金。

在本文中，研究團隊所使用的電子束熔融3D打印技術，在銅金屬3D打印領域已有實現商業化的案例。著名感應加熱設備製造商GH Induction 已推出了3D打印銅金屬產品-3DPCoil感應器。GH Induction 對其感應加熱處理設備中的感應器進行了設計迭代，並使用電子束熔融（EBM）金屬3D打印技術來製造迭代後的感應器-3DPCoil。

在銅基合金材料和激光器技術的發展推動下，選區激光熔化技術在銅金屬製造中的應用也得到了發展，應用潛力體現在模具製造、電子散熱器製造、電氣工程的導電觸點、焊接噴嘴、閥等多個領域。

3D科學谷近期將發佈《銅金屬3D打印白皮書1.0》，對銅的市場、銅金屬3D打印設備、激光器、增材製造工藝、應用和供應鏈進行剖析，敬請關注。

參考資料：

[1] Christopher L, et al. Characteristics and Processing of Hydrogen-Treated Copper Powders for EB-PBF Additive Manufacturing. Applied Sciences,Volume 9,Issue 19. https://www.mdpi.com/2076-3417/9/19/3993/htm

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