高导电铜的3D打印工艺及应用
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铜材料的3D打印已经不是什么新鲜事，国内不少设备商号称已经可以采用光纤激光开发出纯铜打印工艺。是不是真的纯铜我们不得而知，但，铜的纯度越高，导电、导热性就越好，打印也越困难，设备的损伤风险也随之升高。截至目前，采用上述工艺进行纯铜打印并实现应用的报道非常鲜见，针对具体应用的3D打印用铜材料同样鲜见。
作为一种高导电材料，纯铜常被用于制作电磁感应加热线圈，加热快、效率高，可进行金属热加工、热处理、焊接和熔化。本期主要内容围绕高导电铜感应线圈的SLM工艺展开。
电感线圈的传统制作特点与3D打印制作优势
传统的感应线圈采用铜丝绕圈方法完成，此种工艺由于受到产品结构的限制，无法制作出复杂的立体3D结构；同时，线圈缠绕法无法制作细微线路和异形线路，限制了行业发展。此外，每种感应线圈必须经过特殊设计，制作周期长达几周甚至几个月。
3D打印的铜复杂感应线圈
而3D打印的制作优势相信读者已经明了，如果用来打印感应线圈，那将不再需要使用传统的制作设备和工具，而且可以制作近乎任意的形状和结构，制作周期也将缩短为几天，优势明显。那是否可以直接采用目前的SLM工艺打印纯铜感应线圈呢？答案是否定的。
SLM工艺下的材料弊端
铜材料对激光具有较高的反射率，铜纯度越高，反射性越强，吸收率越低，采用SLM工艺进行打印就越困难。当前公开的铜材料3D打印工艺多是铜合金，铜的含量不一，含量越少则导电性越差。既能满足高导电性又能够稳定进行SLM成型的铜合金未能得到重视。
激光反射示意
一种高导电3D打印铜合金材料
菲尼克斯电气集团旗下的Protiq GmbH经过两年的研究实验，开发出一种使用价值很高的高导电铜合金（CuNi2SiCr），这种高导电铜合金类似于铬锆铜(copper C18150，由Stratasys推出)，可利用SLM技术进行打印，并且该材料成型后的密度为8.82g/cm³，电导率达50ms/m，都与纯铜接近，且含铜量高达97.6%。
Protiq通过SLM成型的铜感应线圈
Protiq SLM用铜合金与纯铜性能参数对比
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纯铜 |
高导电铜 |
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密度 |
8.9g/cm³ |
8.82g/cm³ |
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弹性模量 |
/ |
70±10 GPa |
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抗拉强度 |
/ |
219±10MPa |
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电导率 |
≥57ms/m |
50ms/m |
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铜含量 |
99.9% |
97.6% |
模拟电磁过程
3D打印允许更大的设计自由度，不必考虑最小弯曲半径或给定的横截面。通过这种方式，可以开发出具有优化磁场引导和改进工艺特性的新型创新电感器（感应线圈）几何结构。
通过使用计算机辅助数值模拟，可以进行电感器在迭代过程中感应加热的电磁过程模拟，并且可以基于结果调整电感器几何形状，这避免了采用繁琐且昂贵的加热实验来确定几何特征的过程。Protiq开发的电感器在操作中可进行更快和更精确的加热，大量节省时间，提高效率。
在线平台订购处理
传统的订购流程繁琐且缓慢，Protiq为其客户提供了端到端的数字在线平台。客户在平台上传三维模型，便可以得到有关生产成本和交付时间的信息，在几分钟内，可以提供正式报价并完成订购。
除了上传数据外，Protiq还在网站上提供单独的线圈配置，例如线圈的基本形状、匝数、线圈直径和间距等，并可以通过滑块调整进行3D预览，根据配置的不同，价格信息随之改变。
拓展阅读：采用EBM打印的纯铜感应线圈
EBM技术是金属打印的重要工艺，而且金属材料对电子束几乎没有反射，这为纯铜材料的3D打印创造了条件。2017年，总部位于西班牙的全球性感应加热公司GH Induction与拥有增材制造技术的西班牙公司Aidimme合作，利用EBM技术成功打印出了纯铜线圈，铜纯度达99.99％，寿命是之前线圈的2-3倍。GH Induction打印的线圈最大尺寸为200 x 200 x 100 mm，通过一次成型，减少了其他工序，使成本降低。
EBM打印的纯铜感应线圈
EBM虽能轻松打印纯铜材料，但该工艺却在表面质量方面表现不佳，这为铜感应线圈的后处理带来不便。科研人员针对高反射材料的SLM成型工艺攻克从未停止。
延伸阅读：纯铜材料的SLM成型难题
纯铜比铜合金更具导电性和导热性，对于终端用户更具吸引力，但纯铜对常规SLM设备所用的激光反射率较高，只有一小部分能量能沉积在材料中用于熔化（只有2%-3%），反射的激光会对设备元器件造成损伤。此外，随着材料从固态转变为液态，材料对红外光的吸收率迅速上升，从而引发不稳定和间歇性的重熔过程。
材料对不同波段激光吸收率
目前国内对纯铜材料打印工艺的攻克主要集中在提高打印能量，以及通过改造设备内部结构来防止激光反射造成元器件损伤上面。但这样忽视吸收率单纯提高功率的方法并不足够科学。
弗劳恩霍夫激光技术研究所基于纯铜的吸收率提出采用波长为515nm的绿色激光进行成型，这意味着较小的激光能量便可实现稳定成型。激光源的改变同时可以获得更好的光束质量，从而为获得均匀熔池提供条件，这也是制造精细部件的保证。
然而，目前的主要问题是绿激光往往能量较低，如激光内雕所用的535nm波段，功率只有几瓦。Fraunhofer ILT未来目标是创造一种可靠的用于单模操作的高质量激光器，稳定输出最大功率达400w的515 nm波段激光。
此外，绿色激光不仅可以用来制作纯铜材质的感应线圈、热交换器或精密复杂的电气元件，在珠宝设计领域，绿色激光也可以进行银等贵金属的打印，提供比传统SLM设备更高效更稳定的打印工艺。
笔者认为，也许未来， SLM设备会具有不同的光源类型。
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延伸阅读：
原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：高导电铜的3D打印工艺及应用