纯铜3D打印工艺的发展：从SLM、3DP、FDM到DLP

基于粉末床熔融技术的纯铜3D打印

纯铜的3D打印工艺最开始由激光粉末床打印开始探索，由于纯铜对主流的SLM用激光器的波长具有很高的反射率，不仅不容易熔化，甚至有可能损伤打印机光学器件；通常，基于常规激光器打印纯铜，不得不更改设备结构，配备更高功率的激光器等。因此，基于传统SLM技术的纯铜3D打印发展的始终不尽如人意。

真正的转机是绿激光和蓝激光的发展。纯铜对515nm绿激光的吸收率接近40%，对450nm蓝色激光的吸收率则达到65%，分别相当于常规SLM用红外激光的8倍和13倍。随着对短波长高功率激光器开发的克服，采用SLM技术进行纯铜3D打印开始出现转机。

真正的商业化是在2018年，通快推出了第一款绿激光SLM打印机，该设备配备波长为515nm的TruDisk1020绿光激光器，打印零件铜含量高于 99.9％，实现了100％IACS的电导率和99.9％的致密度。该设备将亮相今年上海TCT 3D打印展。

通快采用绿激光3D打印的纯铜器件

除激光粉末床熔融技术外，电子束对纯铜3D打印也具有优势，不过该工艺打印的零件表面质量方面表现不佳，这为铜感应线圈等应用的后处理带来不便。

本部分上传资料：通快、EOS纯铜材料数据表及设备资料。

基于粘结剂喷射技术的纯铜3D打印

理论上，能够用于金属注射成型的材料均可采用粘结剂喷射工艺成型。然而，该技术的代表型企业Exone在很长时间内推出的官方认证材料却只有17-4PH、304L、316L、M2工具钢等等，纯铜也一直未能出现在同技术类型公司的材料清单中。

几种纯铜3D打印工艺特点对比

实际上在采用粘结剂喷射技术成型纯铜之前，已经有学者采用SLS技术对铜和PMMA的粉末混合物进行了研究。PMMA作为中间粘结剂，在激光扫描过程中融化来粘结铜粉形成生坯，之后再进行脱脂烧结处理。这种方式其实与粘结剂喷射技术的过程类似，都是先将铜粉成型出零件的形状，只是方式不同。研究人员发现，这种间接的SLM过程，纯铜的致密度远低于理论密度（约77-78%），孔隙较多，且脱脂过程产生的杂质被留在了材料内部。

无论对于金属注射成型、粘结剂喷射还是激光烧结，合理的粉末粒度分布、粘结剂的选取和脱脂工艺的控制对于纯铜的成型来说都是关键因素。相比激光烧结，粘结剂喷射技术更容易控制粘结剂的含量，这避免了前者铜粉一次掺入粘结剂而造成的固定比例问题，在工艺调节和研究过程中更加灵活。

不同3D打印工艺制造纯铜零件的性能（参考）

此前，国外研究人员使用Exone的设备已经进行过纯铜材料的研究，但所制备的材料致密度和其他性能都不高，且需要经过热等静压处理才能实现致密化（且只有烧结密度超过90%才有必要）；同时也发现，粉末的粒度分布、墨水成分等都是影响制件性能的关键因素。今年2月，Digital Metal宣布推出纯铜3D打印材料，成为第一个为粘结剂喷射3D打印系统提供官方认证的纯铜材料和工艺的设备商。根据该公司公布的数据，通过粘结剂喷射技术成型的纯铜致密度为96.6%，铜纯度为99.9%，然而并不知晓该公司的后处理工艺是否也包含了热等静压。

Digital Metal粘结剂喷射3D打印成型的散热器及扩音器天线

本部分上传资料：纯铜的粘结剂喷射成型研究；Digital Metal粘结剂喷射成型纯铜的性能数据。

基于熔融挤出技术的纯铜3D打印

2020年2月，Markforged宣布推出纯铜3D打印丝材和工艺，并成功应用于散热器和汽车制造领域。2020年12月，Desktop Metal推出了基于其Studio桌面3D打印系统的纯铜材料及工艺。

Desktop Metal打印的纯铜电机座和螺旋换热器，均具有内部冷却通道

与粘结剂喷射技术一样，基于熔融挤出的金属3D打印都需要脱脂和烧结。Desktop Metal声称，新推出的纯铜材料致密度可以达到98%，能够制造具有复杂几何形状和内部通道的零件，借助其Fabricate软件可自动执行复杂的冶金过程，从而生产出密度和特征精度均与铸造相似的高质量零件。

本部分上传：Markforged、Desktop Metal纯铜材料数据表。

基于数字光处理（DLP）技术的纯铜3D打印

2021年3月，美国Holo公司宣布推出基于DLP技术的纯铜3D打印材料。采用该公司专有的PureForm技术，利用高分辨率光学成像仪对纯铜粉和光敏树脂混合而成的浆料进行3D打印，并结合已经非常成熟的金属注射成型（MIM）后端工艺，对打印后的生坯进行脱脂和烧结，最终生产出高性能零件。

Holo公司的专有浆料材料特性

Holo公司的浆料具有极佳的分散性，在打印过程中可形成均匀的层厚，打印机可在不到10s的时间内固化新层。目前，Holo通过DLP+脱脂烧结工艺成型的纯铜的致密度平均为96-98%，足以达到大块铜95%的导热率和导电率。此外，该工艺还可能会减少激光打印产生的裂纹问题。

Holo 3D打印的纯铜零件

基于已经成熟的工艺，Holo着重于散热器件的开发与制造，而不是销售3D打印机。其目前的一条试验生产线每月可生产20000个纯铜小零件，并希望每年生产数百万个铜散热片零件。

END

在电子元器件飞速发展的今天，热损耗与热安全问题日益凸显，设计紧凑、高效、一体成形的散热器具有重要的应用空间，而这些特征正是3D打印相比传统加工技术最大的优势。

除热管理系统和热交换装置外，纯铜3D打印还可用于射频阴极和感应加热线圈等。对于不复杂的器件，纯铜3D打印可能并没有特别的必要，其发挥作用的空间还是在于产品开发、特殊结构制造等方面。

当前，纯铜3D打印的工艺其实还有其他种类，但大都局限于少量公司取得了突破，仍有极大的发展空间，这与激光、材料和后处理技术的研究和发展密切相关。