最近，銅作為增材制造材料的前景逐漸被工程師們看好，這在很大程度上歸功于”狂野的西部太空牛仔”的探索。至于“牛仔”這個(gè)說法，這是佛羅里達(dá)州好萊塢Sintavia LLC公司的工程副總裁厄爾（Pavlo Earle）對推動商業(yè)航天業(yè)發(fā)展的先驅(qū)者的一種趣稱，他們公司主要為太空和國防系統(tǒng)設(shè)計(jì)和3D打印部件。

銅的熱性能使其對火箭推進(jìn)系統(tǒng)的制造至關(guān)重要。厄爾指出：“銅的熱性能使其成為火箭推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵成分。銅提供了非常好的熱傳導(dǎo)，所以它很適合冷卻，而火箭部件正是需要大量冷卻的裝置。"

△Sintavia公司為GRCop-42開發(fā)了一項(xiàng)專有的3D打印技術(shù)，GRCop-42是美國宇航局和航天器部件商業(yè)供應(yīng)商使用的一種銅合金。圖片來源：Sintavia公司

2021年9月22日，南極熊獲悉，Sintavia公司最近宣布開發(fā)了一種用于GRCop-42的專有打印技術(shù)，GRCop-42是美國宇航局和私人航天公司使用的一種銅合金。據(jù)該公司稱，這項(xiàng)技術(shù)消除了熱等靜壓作為后加工步驟的需要，減少了生產(chǎn)時(shí)間、成本和復(fù)雜性。

△Sintavia在EOS GmbH M400-4打印機(jī)上開發(fā)了其專有的銅打印技術(shù)。圖片來源：Sintavia公司

Sintavia公司主要使用直接金屬激光燒結(jié)（DMLS），一種粉末床融合技術(shù)，來打印銅零件，主要包括為一些客戶生產(chǎn)的銅制火箭推力室組件。大多數(shù)零件是安裝在推進(jìn)器組件中的大型部件，可能需要幾天，甚至幾周的時(shí)間來生產(chǎn)。冷卻功能被集成到這些部件中，部分由于其幾何形狀的復(fù)雜性而難以制造。

△Sintavia公司的銅打印技術(shù)結(jié)合了專有參數(shù)設(shè)置和后處理熱處理。圖中是該公司的真空爐，可容納六塊構(gòu)建板。圖片來源：Sintavia公司

厄爾說："用傳統(tǒng)方法制造這些部件將非常困難，需要更多的時(shí)間和成本，"他補(bǔ)充說，"你不能只是用一塊材料加工出一個(gè)熱交換器。你必須加工所有的小部件并將它們連接在一起。"

除了熱性能外，銅還具有良好的導(dǎo)電性。Holo Inc.的首席執(zhí)行官Hal Zarem說："如果你不使用貴金屬材料的話，銅恐怕是具有最高導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性的金屬，畢竟貴金屬對大多數(shù)應(yīng)用來說太昂貴了。因此，幾乎所有銅的應(yīng)用都是熱或電?！癏olo Inc公司是加利福尼亞州紐瓦克的一家純銅部件增材制造商。

△這是一個(gè)具有0.5毫米壁的4毫米細(xì)胞的陀螺儀(Holo 3D打印的幾何體有一個(gè)角度的切割，以突出內(nèi)部的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）；陀螺儀和其他格子形式被用來制造高強(qiáng)度重量比的、用于熱交換器和其他熱設(shè)備的承重部件。圖片來源：Holo

純銅打印

Holo公司的PureForm打印工藝以數(shù)字光處理技術(shù)為基礎(chǔ)，在粘合劑中打印銅，然后燒結(jié)以去除聚合物。Holo公司聯(lián)合創(chuàng)始人兼總裁Arian Aghababaie表示，該工藝可以生產(chǎn)出具有高導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性以及精細(xì)特征的純銅部件。

△用于冷卻高性能CPU和圖形處理單元的純銅液體冷板特寫。這個(gè)冷板包含了150微米的鰭片和正交排列的湍流特征。圖片來源：Holo

Aghababaie說，PureForm生產(chǎn)精細(xì)特征的能力，加上增材制造的固有優(yōu)勢，如最大限度地提高設(shè)計(jì)自由度，使該技術(shù)能夠打印出復(fù)雜的銅結(jié)構(gòu)，其性能超過了用傳統(tǒng)制造工藝制造的銅零件。今天，這些部件被用于冷卻大功率半導(dǎo)體設(shè)備和各種行業(yè)使用的射頻系統(tǒng)。

△Holo公司在其PureForm平臺上批量制造了這24個(gè)微電感線圈，該平臺可以同時(shí)打印20個(gè)這樣的陣列，這些線圈股的直徑為400微米。圖片來源：Holo

據(jù)Zarem說，許多設(shè)備會包含大的銅板。在大多數(shù)情況下，不需要特殊的制造工藝，但確實(shí)包括適合3D打印的"復(fù)雜的部分"。他解釋說："客戶來找我們打印銅系統(tǒng)的較小部分，然后他們將3D打印的部分焊接、焊接或釬焊到一個(gè)較大的組件中。在其他情況下，如生產(chǎn)射頻微電感線圈，整個(gè)部件被打印出來。但這兩種情況都需要我們技術(shù)提供的精細(xì)功能和設(shè)計(jì)自由?！?/p>

Earle也曾表示：“無論使用什么技術(shù)來打印銅，承擔(dān)這項(xiàng)任務(wù)的人需要記住，如果暴露在氧氣或環(huán)境中的其他元素中，銅會很快被氧化。為了防止氧化破壞銅粉，用戶必須在純凈的環(huán)境中操作他們的系統(tǒng)，并在儲存和運(yùn)輸材料時(shí)小心謹(jǐn)慎。“

金屬銅3D打印材料競爭

雖然可以用一些增材技術(shù)來打印銅件，但正確的選擇還要取決于最終應(yīng)用。例如，Aghababaie認(rèn)為熔融長絲制造（FFF）主要是一種原型技術(shù)，而不是一種生產(chǎn)工具。此外，他說，F(xiàn)FF部件可能會出現(xiàn)分層，對平面導(dǎo)電性產(chǎn)生不利影響。他說："已經(jīng)有了用這些技術(shù)進(jìn)行純銅打印的示范，但還沒有達(dá)到可以生產(chǎn)的程度?！?/p>

至于電子束熔化和定向能沉積（DED），Aghababaie將這些技術(shù)描述為 "通常是相當(dāng)?shù)头直媛实募夹g(shù)"，所生產(chǎn)的部件具有較高的表面粗糙度，可能會使它們在電氣應(yīng)用中失去作用。這意味著用這些技術(shù)制造的銅部件將需要相當(dāng)多的后處理，以轉(zhuǎn)化為功能性部件。

Earle指出，當(dāng)涉及到生產(chǎn)精細(xì)的特征時(shí)，DED與粉末床熔融技術(shù)相比也有差距。然而，他補(bǔ)充說，DED可以生產(chǎn)更大的零件，而且生產(chǎn)零件所需的時(shí)間更短。

他還指出，銅的反射性使基于激光的打印工藝（如DMLS）變得復(fù)雜。如果你試圖用激光熔化銅，而它反射了，材料不吸收這種能量，那打印就很有挑戰(zhàn)性了。

Earle總結(jié)道：“DMLS在銅方面的成功取決于處理反射率和材料所帶來的其他困難的特殊工藝。我們已經(jīng)為我們的銅材料打印技術(shù)開發(fā)了專有參數(shù)，而且我們通過處理、打印和后處理步驟的獨(dú)特組合實(shí)現(xiàn)了非常好的機(jī)械性能。"