铜材料3D打印，迎来了全新应用发展……

　　铜以其橙红色的独特色泽为大众所熟知，同时凭借优异的物理性能成为应用广泛的金属材料，是电子、终端零部件制造等诸多行业的核心用材。

　　随着3D打印技术的不断发展，铜材料迎来了全新的应用领域，得以打造过去难以实现的复杂定制化结构。

　　本文将带您了解铜材料的特性为3D打印零部件带来的优势，以及当前市场上的主流相关制造商。

　　01铜的特性

　　铜（Copper，化学符号Cu，原子序数29），为全球第三大应用广泛的金属，仅次于铁和铝，如今在增材制造领域的应用也日益普及。

　　铜的受青睐程度，源于其出众的性能，尤其是导电性能。凭借优良的导电性、延展性和可塑性，铜成为制造电气元件最常用的金属之一。

　　在3D打印应用中，铜基合金的种类繁多，且各类合金的特性存在细微差异。以下为几种最常见的铜基合金及其专属特性：

　　纯铜：具备极佳的导电、导热性能，适用于电气元件制造；CuCrZr铜铬锆合金：提升了抗变形能力和硬度；CuCP磷脱氧铜：耐腐蚀、延展性好；CuSn锡青铜：增强了耐腐蚀性和硬度；CuNi30铜镍30合金：耐腐蚀性和力学性能更优。

　　铜粉。来源：Inoxia公司

　　铜提取始于矿山（露天矿或地下矿），从地层中开采出铜矿石后，先对矿石进行破碎、研磨，将其加工为细颗粒，便于铜与其他矿物分离。随后通过选矿、冶炼、电解精炼等一系列工艺，将原矿石加工成不同纯度的金属铜及铜合金，而3D打印所用铜材的形态（粉末或丝材）也在这一加工阶段确定。

　　02铜材3D打印技术

　　铜具备良好的耐腐蚀性，能延长零部件在恶劣环境中的使用寿命。此外，通过优化加工工艺，铜材还能展现出具备市场竞争力的力学性能，包括硬度和耐磨性。但铜材的3D打印加工也存在诸多难点。

　　例如，铜的熔点相对较低，会增加材料熔合的难度，影响层间结合质量；同时，铜的导热性极佳，冷却过程中易出现变形问题，进而影响零部件的尺寸精度。尽管如此，这种金属仍能应用于增材制造，为高要求行业定制零部件。

　　目前市面上适配铜材的3D打印技术种类繁多，其中以粉末基打印技术应用最为广泛。首先，金属粉末床熔融技术（Powder Bed Fusion，包括激光粉末床熔融L-PBF、直接金属激光烧结DMLS、选择性激光熔化SLM），可用于几乎所有金属合金的终端零部件和原型件制造，铜材也不例外，该技术制造的零部件在质量、强度和致密度上均远超传统工艺。电子束熔化技术EBM同样适用于铜基合金加工，是高端原型件和小批量生产的理想选择。

　　3D打印铜制零部件。来源：EOS公司

　　粘结剂喷射技术（binder jetting）也可用于铜材零部件的制造。尽管该技术难以将纯铜加工为高致密度的零部件，但已有部分企业研发出专属解决方案实现这一目标，既充分发挥了增材制造在几何造型上的自由度和成本优势，又能打造出这种高导电金属零部件。

　　定向能量沉积技术（Directed Energy Deposition）是另一类适配铜材的增材制造技术，根据设备型号不同，可选用粉末状或丝状铜材作为原料。与其他金属3D打印技术不同，定向能量沉积技术通过实时熔融的方式进行材料沉积，不仅能灵活制造复杂几何结构的零部件，还可对现有零部件进行修复。

　　最后，有两种主要用于塑料加工的3D打印技术，在特定情况下也能实现铜材零部件的制造，即熔融挤出成型技术和光固化成型技术（FFF/FDM，vat photopolymerization）。

　　在熔融挤出成型领域，Markforged公司研发出可加工金属丝材的挤出成型解决方案，其推出的 Metal X 3D打印机便是典型代表。该设备采用熔融丝材制造工艺，将包裹在塑料粘结剂中的金属粉末逐层沉积，打印完成后，需对零部件进行清洗，再放入炉中高温去除残留粘结剂，使零部件具备应有的性能。而在光固化成型领域，霍洛、艾德马特、英库斯等企业也研发出适配铜材的金属3D打印机，这类设备均基于液态光刻成型技术打造。

　　03主要应用领域

　　基于铜材的优异性能，其应用场景十分广泛。无论采用何种增材制造技术，铜的高导热、高导电性能都是其核心优势，因此众多企业选用铜材制造对导电性能有高要求的元件，如感应线圈、电动汽车电机绕组、电磁线圈、波导器、天线等。

　　此外，铜材也是制造散热和热交换元件的理想金属，可用于生产冷却板、散热器、热管、热交换器、制冷装置、定制化冷却模具镶块等产品。在航空航天领域，铜材还常被用于推进系统和火箭发动机零部件的制造。

　　04铜材料及相关设备制造商

　　市场上有许多企业不仅在研发铜合金材料，还在开发适配铜材料的增材制造解决方案。

　　铜材增材制造解决方案。图源：Beamler

根据铜材零部件的加工工艺不同，所选用的铜材形态也有所差异（主要为粉末和丝材）。目前已有多家企业在增材制造市场推出自研铜基合金产品，国外如：Sandvik、Höganäs、Safina、Mitsubishi Materials，以及EOS、3D Systems、Elementum等企业，国内如：有研、威拉里、中体新材、众远新材料等企业。

除铜材本身外，一众研发出铜材适配型增材制造解决方案的企业也值得关注，除前文提及的Markforged，国外企业还有Holo、Admatec、Incus和3D Systems，还有Colibrium Additive（原通用电气增材制造）、Desktop Metal（ExOne）、SLM Solutions、Renishaw、Optomec和DMG Mori等众多企业，国内如：希禾增材、华曙高科、铂力特、易加三维、华阳新材料等，此类企业的名单仍在不断扩充。

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