增材制造中铜材料的加工技巧

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铜被视为将加速未来航空航天生产的材料。例如，私营公司Ursa Major从其位于俄亥俄州扬斯敦的增材制造实验室交付了铜基3D打印火箭发动机燃烧室。然而，一个挑战在于高温金属合金部件的现有供应链十分有限。不过，相关开发仍在继续。

EOS北美公司金属技术高级经理Ankit Saharan博士探讨了铜和增材制造如何加速航空航天生产以及潜在的其他领域。

MPF 增材制造在使用铜材料方面比传统方法有何优势？

Saharan 嗯，老实说，在增材制造方面，铜与其他材料没有什么不同，所以我想说，增材制造为其他材料提供的许多标准优势同样适用。我们可以实现更好的设计、更好的功能集成、更稳健的供应链等等。我认为我们还很快意识到，我们可以用铜实现更精细的细节分辨率，特别是在增材制造中，这取决于层厚、激光光斑尺寸，这超出了今天传统制造所能达到的水平。此外，当然，如果你考虑到新合金提供的惊人可能性，不仅是纯铜，还有铜铬锆等传统合金，或者我们谈论的NASA合金如GRCop-42和84，GRCop-42目前是航天工业的热门材料。这只是我们塑造铜材料未来的开端。

我认为铜本身将在增材制造领域留下非常显著的印记，众所周知，增材制造始于航空航天和医疗领域，现在它已经起飞，特别是在航天领域。如果我们谈论航天，再生冷却的概念、塞式发动机的概念、RDRE发动机的概念，它们都可以通过增材制造来实现。如果我们谈论再生冷却，这并不是一个新概念。传统上，你需要在燃烧室和内衬上钻直通孔来冷却部件，但现在能够以螺旋方式环绕部件，紧贴推力室和内衬的几何形状，从而获得更高效的冷却。塞式发动机也是如此。这是NASA几十年前就研究过的技术，但直到……现在各公司才开始探索它们，因为增材制造提供了一种可靠且更经济地生产此类硬件的方法。

MPF 我知道，由于铜是一种耐高温材料，它主要用于航空航天应用的发动机部分。铜在航空航天中还有其他用途吗？

Saharan 当然。我认为铜……作为一种高导电材料，它不仅在航天领域用于推力室和内衬。它还可用于热交换器应用，这在行业中也很普遍。历史上，这一直使用AlSi10Mg来完成，它一直是3D打印市场或增材制造市场的铝合金，但人们现在意识到铜也提供一些独特的优势，因为它具有高导电性，并且现在能够在增材制造中加工铜，特别是激光粉末床熔融。他们意识到可以用铜部件替换一些铝部件，从而获得更好的热传导性能。

MPF 在增材制造中使用铜材料时，工程师需要注意哪些设计技巧？

Saharan 铜之所以为铜，在于它通常运行温度比其他材料高得多，这非常令人兴奋且独特。我的意思是，你必须输入更多的能量才能维持稳定的熔池。铜的特点是，你输入的热量越多，它散发出去的热量就越多，因为它是极好的热导体。这就是铜带来的挑战，即如何管理这一点，如何管理一般的熔池。通常，可靠熔化铜所需的热输入、激光功率或其他因素会导致铜熔池略大于其他材料。但正如我所说，随着软件工艺和材料创新的进步，新的可能性正在出现，我们正在尝试看看，能否突破极限，在纯铜上实现小于150微米的壁厚？这将真正改变热交换器技术或应用领域的游戏规则。

MPF 为什么会这样？

Saharan 有了更薄的轮廓，你可以以紧凑的方式将更多的此类薄轮廓打包在一起，如果我们从热交换器的角度来看，表面积越大，热传导效果就越好。当我们谈论下一代热交换器设备或均温板或此类设备时，这才是关键。正是这种设计将为未来解锁更多可能性。

MPF 在增材制造中加工铜材料时，是否有任何环境方面的注意事项？

Saharan 我认为不需要采取当今行业内已知的任何特殊注意事项。因此，任何正在加工钛和铝并实施了相关控制措施的人，都可以很好地加工铜。

MPF 除了你提到的铜散热效率极高之外，工程师在使用铜和增材制造时还应该注意哪些缺点？

Saharan 是的，既是也不是。我的意思是，正如我所说，铜非常有挑战性，它也是最令人兴奋的材料之一。所以历史上，当人们研究材料和工艺参数时，对他们来说真的很容易。假设人们有一台M 290，并且有M 290的参数。现在他们想换到M 400-4，这是一台更大的机器。今天许多人所做的是，获取290上可用的参数，然后一对一地直接转移，只做微小的修改，就能得到一个很好的起点。

但这在铜上行不通。因此，由于材料的高导电性，工艺窗口会因机器而异，因为M 290的成型板较小，为250毫米，所以它是一个较小的散热器，而M 400-4的成型板较大，为400毫米，它是一个较大的散热器，所以你必须在工艺参数方面进行补偿。这就是挑战所在，针对不同材料开发铜的工艺本质上意味着你要从更远的零基础开始。但确实，它不像其他材料那样。

MPF 现在，在电子领域，如印刷电路板或类似领域，是否有使用增材制造和铜的应用？

Saharan 当然有。我们的机器无法制造印刷电路板。在电路板上打印电路，那不是粉末床技术。我认为，今天肯定有其他技术可以做到这一点并且正在做，但我们在电子领域通常大放异彩的地方，仍然是适用于航空航天领域的任何应用。现在我们谈论的是电子领域。我们谈论的是热交换器、均温板，从宏观层面思考，在电子或消费市场中哪里需要热交换器，那就是我们处理的所有数据。我们总是谈论我们能以多快的速度运行互联网，能以多快的速度将TB级的数据存储在云端，你的照片等等。所有这些都托管在全球各地的数据中心，所有这些数据中心都在托管这些数据，而且它们运行温度很高。

有时你需要特殊的冷却器来冷却整栋建筑，因为服务器运行温度太高，这就是热交换器发挥作用的地方。关键在于思考，“嘿，我们如何制造高效的热管理系统来冷却服务器机架？”例如，这是一个例子，如果这说得通的话。这将对我们的数据存储方式、数据管理方式，特别是跨站点的数据管理方式产生巨大影响，尤其是现在，各国要求本国公民的数据必须留在本国境内，因为数据管理是一个挑战。一旦数据进入云端，它就在云端。它没有任何物理位置。

MPF 那么，我们主要使用的是纯铜还是铜合金？范围有多大？

Saharan 我会说，在需要纯导电性的应用中，如热交换或均温板等，人们主要使用纯铜和极低铜合金。低铜合金是指主要是铜，但添加了少量其他元素以获得更好的加工性能或其他所需性能。另一方面，当我们谈论航天工业，谈论更好的抗氧化性，谈论更好的热导率，同时又需要强度时，我们谈论的是铜铬锆等合金。我们谈论的是GRCop-42、GRCop-84等合金，所以这是一个合理的混合。

目前，如果让我猜测，在一个应用中，一个有根据的猜测是，今天80%的应用将是合金铜，如铜合金，但我想说20%将是纯铜、低铜合金，而且不仅在电子领域，还在汽车领域。想想电感器，想想机器人部件或电动汽车，所以这也是一个正在崛起的领域。因此，我觉得未来比例大概是50/50，但现在铜合金方面占很大比重，因为航天工业目前正引领这种材料的采用。

MPF 那么目前，你认为增材制造技术已经足够先进，能够应对铜的使用和各种应用，还是说机械设备本身还需要更多的技术开发？

Saharan 我个人认为我们永远达不到那个终点。这是一个不断发展的过程。这只是我个人的观点，但我绝对会说这只是开始。想想六七年前，那时人们想做铜，但我们讨论的是，“嘿，如果激光反射回光学系统怎么办？我该如何处理激光后向散射？我如何处理这么多热量？”但现在我们讨论的是如何加工更多合金。如何以更高的强度、更快的速度加工铜？因为现在问题不再是能否加工铜。现在我们能加工铜了，我们能加工哪些种类的铜？

我认为下一步将是，我们能以多快的速度推进工艺，因为铜的工艺仍然相对较慢，但我认为随着技术的新进展，特别是在光学方面，无论是更强大的激光器、不同波长的激光器，还是更好的软件技术，以及能够控制激光粉末床熔融机器上的扫描填充控制方式。我认为这将是一场游戏……它将发生改变，但这始终是一个不断发展的过程。

MPF 关于铜和增材制造，以及行业未来的发展，你还有什么最后的想法吗？

Saharan 我一直想补充的一点是，人们总是很容易说想要铜，想要这种铜或那种铜，然后人们开始进行比较，这是公平的，但非常重要的一点是要认识到，每种铜都适合其独特的应用。这不像我可以根据应用需求用铜合金替换纯铜或用纯铜替换铜合金。现在总是存在一种担忧，特别是在航天工业，我认为这不是争论，而是GRCop-42和铜铬锆之间的拉锯战。NASA正在推动采用GRCop-42，而传统上使用的是铜铬锆，这两种材料都有注意事项，因为GRCop-42作为一种较新的材料，其供应链仍需成熟，而另一方面，铜铬锆的供应链要稳健得多。即使在价格方面，两者也存在巨大差异。有时价格差异高达三倍和四倍。

所以我想告诉大家的一件事是，只需记住这些材料，认清它们的本质。你是在拿苹果和橘子作比较，我们肯定会……我们很快将发表一篇简短的文章，基本上是比较铜铬锆和GRCop-42，所以我想请听众们关注LinkedIn上的相关内容。那篇文章很快就会发布。

这就是我的所有问题，所以非常感谢你的时间，Ankit。

Saharan 谢谢你，Leslie。和你交谈非常愉快。

资讯来源

- Engineering.com (2022-11-21) - 原文：增材制造中铜材料的加工技巧 - https://www.engineering.com/tips-on-working-with-copper-in-additive-manufacturing/