電子束精雕細琢，探索3D打印技術在如何引領著純銅制造業革命？
核心提示：一、引言純銅及銅合金以其卓越的導電、導熱、耐腐蝕性及韌性等特點，在電力、散熱、管道、裝飾等諸多領域得到廣泛應用。然而，傳
一、引言
純銅及銅合金以其卓越的導電、導熱、耐腐蝕性及韌性等特點，在電力、散熱、管道、裝飾等諸多領域得到廣泛應用。然而，傳統加工工藝在應對復雜結構零部件的需求時逐漸顯露出局限性。3D 打印技術的出現，為純銅零部件的制造帶來了新的可能性。近年來，純銅 3D 打印技術不斷取得新進展，其應用領域也日益拓展。
二、純銅 3D 打印技術新進展
（一）綠光 3D 打印商業化的突破
純銅對綠激光（500nm-559nm）的吸收率接近 40%，相當于常規 SLM 用紅外激光的 8 倍。通快公司于 2018 年率先推出了第一款綠激光 3D 打印機，配備 515nm 的綠光激光器，打印的純銅實現了 100％IACS 的電導率和 99.9％的致密度。2023 年，國內在綠激光 3D 打印設備商業化方面邁出重要一步，希禾增材推出 XH-M160G 設備，成為國內首家、全球第二家推出商業化綠激光 LPBF 設備的廠商，采用自研 532nm 單模連續綠光光纖激光器（500W/700W/1000W 可選），實現了超過 100％IACS 的電導率和超過 99.6％的致密度。2024 年，希禾增材進一步推出了打印尺寸達 350350500mm 的中大成型尺寸的綠激光 SLM 3D 打印機 XH-M350G。據了解，該公司還將陸續研發上市 XH-M600G、XH-M650G、XH-M800G 等大尺寸、多激光產品，以滿足更多應用場景的需求。
（二）藍光 3D 打印的研究進展
純銅對藍色激光（400nm-500nm）的吸收率達到 65%，相當于常規 SLM 用紅外激光的 13 倍。雖然目前市場上尚沒有基于藍光的商業 LPBF 設備出現，但相關研究正在積極推進。日本研究人員于 2020 年首次報道采用藍色激光打印純銅。國內方面，華南理工楊永強教授團隊在 2021 年將 1070nm 的紅外光纖激光器與 450nm 的藍光半導體激光器相結合，實現紅外/藍光復合，可打印多種材料。2022 年，美國空軍“小企業創新研究”（SBIR）授予藍色激光專家 NUBURU 開發新金屬 3D 打印解決方案的任務，旨在獲得高金屬密度、微米級分辨率、零后處理，并將構建速度提升 100 倍，且該裝備將具備區域打印能力。2023 年，Nuburu 與 GE Additive 簽署聯合技術協議，表達了采用藍色激光開發區域 LPBF 設備的計劃。
（三）電子束 3D 打印的改進
電子束 3D 打印純銅具有諸多優勢，如能吸收 80%的電子束能量，且真空環境可減少氧氣對銅導電性的影響。然而，其表面質量較差一直是個問題。2023 年，GE Additive 公布了一種被稱為 Point Melt 的新掃描方式，將于 2024 年推出。通過精確控制每個點的能量以及點與點之間的距離，可防止過多熱量傳輸，使零件無論怎樣擺放，每個面的粗糙度幾乎一致，分布在 RA8-18μm 之間，與激光 SLM 打印的零件縱向面粗糙度相當，從而解決了表面過于粗糙的問題。
（四）七所高校聯合研究的重大突破
2024 年 2 月，來自昆士蘭大學、悉尼大學、丹麥技術大學、西北工業大學、重慶大學、皇家墨爾本理工大學、莫納什大學的聯合團隊在《自然通訊》發表了題為“Manufacturing of high strength and high conductivity copper with laser powder bed fusion”的文章。研究人員展示了一種高強度、高電導率銅 3D 打印的設計策略，通過激光粉末床熔融（L-PBF）將一小部分六硼化鑭（LaB6）納米粒子均勻分散在純銅中。所開發的 1.0LaB6 強化純銅具有極優秀的機械性能和其他物理性能，其屈服強度為 347±2MPa，極限拉伸強度為 412±7MPa，斷裂伸長率為 22.8±1.2%，電導率為 98.4%IACS，熱導率為 387W·m?1·K?1。這一成果優于紅外激光、綠激光和電子束打印的純銅性能，且強于 NASA 開發的 GRCop-42 和 GRCop-84。
三、實際應用實例
（一）德國 Additive Drives 公司
該公司通過 3D 打印增材制造電動機定子繞組，顯著改善了零件性能。在賽車引擎中，其帶 3D 打印電動機定子繞組的設計，可使繞組到疊片鐵心的強制傳熱防止熱點形成，可變導體厚度減少電流位移，為獲得最佳性能而開發；在電動車馬達方面，適用于電動自行車的 3D 打印單線圈，可通過調整匝數來完美協調轉矩行為，能應用于不同類別的電動自行車，具有極大的靈活性，無需工具調整；在牽引傳動領域，3D 打印牽引電機的發夾式繞組，矩形銅棒代替了傳統的纏繞銅線，更易于自動化，大大縮短了制造時間。
（二）蘇州倍豐智能科技有限公司
在吳鑫華院士帶領下，該公司成功解決純鎢打印過程中的難點，在 SP261 設備上實現了純鎢防散射柵格零部件的打印任務。使用該設備制造出的整體尺寸為 245x25x15mm 的防散射柵格件，壁厚最小達到 0.1mm，成形精度控制在 0.03mm 以內，致密度高達 99%。同時，純鎢打印件的 100%透光率保證了鎢柵格在醫療實際應用中的 CT 探測器性能要求。
（三）Exaddon 公司與生物傳感器和生物電子學實驗室合作
由 Giorgio Ercolano 和 Tomaso Zambelli 教授領導的團隊，利用 3D 打印技術制造出了僅 1 毫米高的微縮版《大衛》雕像，該雕像由純銅制成。其采用的微金屬打印方法核心部件是與懸臂梁連接的微移液管，可使研究人員用電化學方法將溶解的金屬沉積在導電襯底上，精確度很高，能夠一層一層地建造微小的金屬結構。此技術首先引起了電子工業的興趣，可用于將計算機芯片連接在一起，或精確修復微電子系統。
四、未來市場規模發展趨勢預測
隨著 3D 打印從航空航天和醫療領域走向更廣闊的民用市場，鋁合金、不銹鋼、銅合金將逐漸占據主導地位。根據 3D 科學谷全球戰略合作伙伴 AMPower 預測，至 2027 年銅合金的年增長率將達到 46.6%。純銅及銅合金在散熱、導電等方面的優勢，使其在電動汽車、電動摩托、牽引電機等領域的應用需求不斷增加。例如，電動機中更高的銅含量可減少損耗并改善繞組的熱耦合。
另外，3D 打印技術在制備復雜功能集成的純銅或銅合金散熱器與熱交換器、尾噴管、電機繞組等零部件方面具有巨大潛力，這將進一步推動純銅 3D 打印市場的發展。同時，隨著綠光、藍光 3D 打印技術的不斷成熟以及電子束 3D 打印表面質量的改善，純銅 3D 打印的成本有望降低，效率和質量將進一步提高，從而吸引更多行業采用該技術，擴大市場規模。
然而，純銅 3D 打印技術的發展也面臨一些挑戰。例如，相關設備和材料的成本較高，限制了其在一些對成本敏感領域的廣泛應用；技術的成熟度和穩定性仍有待提高，需要進一步優化工藝參數和質量控制體系；此外，行業標準和規范的缺乏也可能影響市場的健康發展。
盡管存在挑戰，但隨著技術的不斷進步和市場需求的持續增長，純銅 3D 打印技術的未來發展前景依然廣闊。預計在未來幾年，該技術將在更多領域實現突破和創新應用，為制造業帶來新的變革和機遇。各企業和研究機構也將加大研發投入，推動純銅 3D 打印技術不斷完善和發展，以滿足不同行業對高性能、復雜結構純銅零部件的需求。同時，政府和行業組織也將加強合作，制定相關標準和規范，促進純銅 3D 打印市場的有序發展。
綜上所述，純銅 3D 打印技術正處于快速發展階段，新的技術進展不斷涌現，應用實例逐漸增多，市場規模有望持續擴大。在未來，該技術將在各個領域發揮更加重要的作用，為推動產業升級和創新發展提供有力支持。但要實現更廣泛的應用和更大規模的市場增長，還需要解決當前存在的一些問題，不斷提升技術水平和降低成本，以滿足不同用戶的需求。
原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_552051.html
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純銅及銅合金以其卓越的導電、導熱、耐腐蝕性及韌性等特點，在電力、散熱、管道、裝飾等諸多領域得到廣泛應用。然而，傳統加工工藝在應對復雜結構零部件的需求時逐漸顯露出局限性。3D 打印技術的出現，為純銅零部件的制造帶來了新的可能性。近年來，純銅 3D 打印技術不斷取得新進展，其應用領域也日益拓展。
二、純銅 3D 打印技術新進展
（一）綠光 3D 打印商業化的突破
純銅對綠激光（500nm-559nm）的吸收率接近 40%，相當于常規 SLM 用紅外激光的 8 倍。通快公司于 2018 年率先推出了第一款綠激光 3D 打印機，配備 515nm 的綠光激光器，打印的純銅實現了 100％IACS 的電導率和 99.9％的致密度。2023 年，國內在綠激光 3D 打印設備商業化方面邁出重要一步，希禾增材推出 XH-M160G 設備，成為國內首家、全球第二家推出商業化綠激光 LPBF 設備的廠商，采用自研 532nm 單模連續綠光光纖激光器（500W/700W/1000W 可選），實現了超過 100％IACS 的電導率和超過 99.6％的致密度。2024 年，希禾增材進一步推出了打印尺寸達 350350500mm 的中大成型尺寸的綠激光 SLM 3D 打印機 XH-M350G。據了解，該公司還將陸續研發上市 XH-M600G、XH-M650G、XH-M800G 等大尺寸、多激光產品，以滿足更多應用場景的需求。
（二）藍光 3D 打印的研究進展
純銅對藍色激光（400nm-500nm）的吸收率達到 65%，相當于常規 SLM 用紅外激光的 13 倍。雖然目前市場上尚沒有基于藍光的商業 LPBF 設備出現，但相關研究正在積極推進。日本研究人員于 2020 年首次報道采用藍色激光打印純銅。國內方面，華南理工楊永強教授團隊在 2021 年將 1070nm 的紅外光纖激光器與 450nm 的藍光半導體激光器相結合，實現紅外/藍光復合，可打印多種材料。2022 年，美國空軍“小企業創新研究”（SBIR）授予藍色激光專家 NUBURU 開發新金屬 3D 打印解決方案的任務，旨在獲得高金屬密度、微米級分辨率、零后處理，并將構建速度提升 100 倍，且該裝備將具備區域打印能力。2023 年，Nuburu 與 GE Additive 簽署聯合技術協議，表達了采用藍色激光開發區域 LPBF 設備的計劃。
（三）電子束 3D 打印的改進
電子束 3D 打印純銅具有諸多優勢，如能吸收 80%的電子束能量，且真空環境可減少氧氣對銅導電性的影響。然而，其表面質量較差一直是個問題。2023 年，GE Additive 公布了一種被稱為 Point Melt 的新掃描方式，將于 2024 年推出。通過精確控制每個點的能量以及點與點之間的距離，可防止過多熱量傳輸，使零件無論怎樣擺放，每個面的粗糙度幾乎一致，分布在 RA8-18μm 之間，與激光 SLM 打印的零件縱向面粗糙度相當，從而解決了表面過于粗糙的問題。
（四）七所高校聯合研究的重大突破
2024 年 2 月，來自昆士蘭大學、悉尼大學、丹麥技術大學、西北工業大學、重慶大學、皇家墨爾本理工大學、莫納什大學的聯合團隊在《自然通訊》發表了題為“Manufacturing of high strength and high conductivity copper with laser powder bed fusion”的文章。研究人員展示了一種高強度、高電導率銅 3D 打印的設計策略，通過激光粉末床熔融（L-PBF）將一小部分六硼化鑭（LaB6）納米粒子均勻分散在純銅中。所開發的 1.0LaB6 強化純銅具有極優秀的機械性能和其他物理性能，其屈服強度為 347±2MPa，極限拉伸強度為 412±7MPa，斷裂伸長率為 22.8±1.2%，電導率為 98.4%IACS，熱導率為 387W·m?1·K?1。這一成果優于紅外激光、綠激光和電子束打印的純銅性能，且強于 NASA 開發的 GRCop-42 和 GRCop-84。
三、實際應用實例
（一）德國 Additive Drives 公司
該公司通過 3D 打印增材制造電動機定子繞組，顯著改善了零件性能。在賽車引擎中，其帶 3D 打印電動機定子繞組的設計，可使繞組到疊片鐵心的強制傳熱防止熱點形成，可變導體厚度減少電流位移，為獲得最佳性能而開發；在電動車馬達方面，適用于電動自行車的 3D 打印單線圈，可通過調整匝數來完美協調轉矩行為，能應用于不同類別的電動自行車，具有極大的靈活性，無需工具調整；在牽引傳動領域，3D 打印牽引電機的發夾式繞組，矩形銅棒代替了傳統的纏繞銅線，更易于自動化，大大縮短了制造時間。
（二）蘇州倍豐智能科技有限公司
在吳鑫華院士帶領下，該公司成功解決純鎢打印過程中的難點，在 SP261 設備上實現了純鎢防散射柵格零部件的打印任務。使用該設備制造出的整體尺寸為 245x25x15mm 的防散射柵格件，壁厚最小達到 0.1mm，成形精度控制在 0.03mm 以內，致密度高達 99%。同時，純鎢打印件的 100%透光率保證了鎢柵格在醫療實際應用中的 CT 探測器性能要求。
（三）Exaddon 公司與生物傳感器和生物電子學實驗室合作
由 Giorgio Ercolano 和 Tomaso Zambelli 教授領導的團隊，利用 3D 打印技術制造出了僅 1 毫米高的微縮版《大衛》雕像，該雕像由純銅制成。其采用的微金屬打印方法核心部件是與懸臂梁連接的微移液管，可使研究人員用電化學方法將溶解的金屬沉積在導電襯底上，精確度很高，能夠一層一層地建造微小的金屬結構。此技術首先引起了電子工業的興趣，可用于將計算機芯片連接在一起，或精確修復微電子系統。
四、未來市場規模發展趨勢預測
隨著 3D 打印從航空航天和醫療領域走向更廣闊的民用市場，鋁合金、不銹鋼、銅合金將逐漸占據主導地位。根據 3D 科學谷全球戰略合作伙伴 AMPower 預測，至 2027 年銅合金的年增長率將達到 46.6%。純銅及銅合金在散熱、導電等方面的優勢，使其在電動汽車、電動摩托、牽引電機等領域的應用需求不斷增加。例如，電動機中更高的銅含量可減少損耗并改善繞組的熱耦合。
另外，3D 打印技術在制備復雜功能集成的純銅或銅合金散熱器與熱交換器、尾噴管、電機繞組等零部件方面具有巨大潛力，這將進一步推動純銅 3D 打印市場的發展。同時，隨著綠光、藍光 3D 打印技術的不斷成熟以及電子束 3D 打印表面質量的改善，純銅 3D 打印的成本有望降低，效率和質量將進一步提高，從而吸引更多行業采用該技術，擴大市場規模。
然而，純銅 3D 打印技術的發展也面臨一些挑戰。例如，相關設備和材料的成本較高，限制了其在一些對成本敏感領域的廣泛應用；技術的成熟度和穩定性仍有待提高，需要進一步優化工藝參數和質量控制體系；此外，行業標準和規范的缺乏也可能影響市場的健康發展。
盡管存在挑戰，但隨著技術的不斷進步和市場需求的持續增長，純銅 3D 打印技術的未來發展前景依然廣闊。預計在未來幾年，該技術將在更多領域實現突破和創新應用，為制造業帶來新的變革和機遇。各企業和研究機構也將加大研發投入，推動純銅 3D 打印技術不斷完善和發展，以滿足不同行業對高性能、復雜結構純銅零部件的需求。同時，政府和行業組織也將加強合作，制定相關標準和規范，促進純銅 3D 打印市場的有序發展。
綜上所述，純銅 3D 打印技術正處于快速發展階段，新的技術進展不斷涌現，應用實例逐漸增多，市場規模有望持續擴大。在未來，該技術將在各個領域發揮更加重要的作用，為推動產業升級和創新發展提供有力支持。但要實現更廣泛的應用和更大規模的市場增長，還需要解決當前存在的一些問題，不斷提升技術水平和降低成本，以滿足不同用戶的需求。
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來源：賢集網
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