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(shuō)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(duì)推動(dòng)商業(yè)航天業(yè)發(fā)展的先驅(qū)者的一種趣稱(chēng)，他們公司主要為太空和國(guó)防系統(tǒng)設(shè)計(jì)和3D打印部件。

銅的熱性能使其對(duì)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(kāi)發(fā)了一項(xiàng)專(zhuān)有的3D打印技術(shù)，GRCop-42是美國(guó)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(lái)源：Sintavia公司

2021年9月22日，南極熊獲悉，Sintavia公司最近宣布開(kāi)發(fā)了一種用于GRCop-42的專(zhuān)有打印技術(shù)，GRCop-42是美國(guó)宇航局和私人航天公司使用的一種銅合金。據(jù)該公司稱(chēng)，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(kāi)發(fā)了其專(zhuān)有的銅打印技術(shù)。圖片來(lái)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(lái)打印銅零件，主要包括為一些客戶(hù)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(lái)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(zhuān)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(lái)源：Sintavia公司

厄爾說(shuō)："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(shuō)，"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(shuō)："如果你不使用貴金屬材料的話(huà)，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(duì)大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)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(lái)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(lái)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(xiě)。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(lái)源：Holo

Aghababaie說(shuō)，PureForm生產(chǎn)精細(xì)特征的能力，加上增材制造的固有優(yōu)勢(shì)，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(guò)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(tái)上批量制造了這24個(gè)微電感線圈，該平臺(tái)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(lái)源：Holo

據(jù)Zarem說(shuō)，許多設(shè)備會(huì)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(shuō)："客戶(hù)來(lái)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(lái)。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(wú)論使用什么技術(shù)來(lái)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(huì)很快被氧化。為了防止氧化破壞銅粉，用戶(hù)必須在純凈的環(huán)境中操作他們的系統(tǒng)，并在儲(chǔ)存和運(yùn)輸材料時(shí)小心謹(jǐn)慎?！?/p>

金屬銅3D打印材料競(jìng)爭(zhēng)

雖然可以用一些增材技術(shù)來(lái)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(zhǎng)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(shuō)，F(xiàn)FF部件可能會(huì)出現(xiàn)分層，對(duì)平面導(dǎo)電性產(chǎn)生不利影響。他說(shuō)："已經(jīng)有了用這些技術(shù)進(jìn)行純銅打印的示范，但還沒(méi)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(huì)使它們?cè)陔姎鈶?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(shuō)，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(lái)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(kāi)發(fā)了專(zhuān)有參數(shù)，而且我們通過(guò)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。"