3D-печать меди: технические проблемы и решения

Медь используется в различных областях, таких как теплообменники и линии электропередач, благодаря своим превосходным физическим свойствам. Используя 3D-принтеры для аддитивного производства меди, теперь можно производить сложные формы, которые были недостижимы с помощью традиционных методов обработки, что в последнее время привлекло значительное внимание.
В этой статье дается простое и понятное объяснение процесса производства меди с использованием 3D-принтеров.

1. Причина, по которой 3D-печать меди привлекает внимание

Медь является важным материалом в современной промышленности из-за ее физических свойств, таких как высокая теплопроводность, высокая электропроводность и отличная пластичность. Например, в теплообменниках для внутренних трубопроводов используются медные трубы, чтобы получить высокую эффективность теплообмена. Также медь используется для шаблонов печатных плат и силовых кабелей, поскольку они обладают превосходной электропроводностью.
Кроме того, в последнее время, как это представлено ЦУР, распространяется идея придания важности устойчивости бизнеса. Поэтому считается, что 3D-принтеры играют активную роль. Многие компании и научно-исследовательские институты обращают внимание на аддитивное производство меди, поскольку считают, что 3D-принтер поможет сделать теплообменники и электропроводность более эффективными. 3D-принтеры могут свободно формировать форму. Можно получить форму, которая раньше была невозможна с помощью традиционных методов обработки, таких как обработка, резка и прессование. Например, многие компании рассматривают возможность производства более эффективных двигателей путем производства шпильковых деталей в катушках, которые используются в электромобилях, с помощью 3D-принтеров. Если эффективность двигателей улучшится, то улучшится и запас хода электромобилей. Кроме того, возможность высокоэффективного использования энергии приведет к сокращению выбросов углекислого газа на тепловых электростанциях. Это может быть точным подходом к устойчивому бизнесу, который изложен в ЦУР. То же самое относится и к теплообменникам. Появление высокоэффективных продуктов с использованием свободных форм приводит к сокращению первичной энергии, что ведет к созданию производств, безопасных для окружающей среды.

2. Типы 3D-принтеров, которые могут производить медь

Ниже перечислены типы 3D-принтеров, которые могут использовать в качестве исходного материала порошки меди или медных сплавов.

• Методы Powder Bed Fusion (PBF) (лазерный луч/электронный луч)
• Метод направленного энергетического депонирования (DED)
• Метод моделирования методом послойного наплавления (FDM)
• Метод струйного нанесения связующего

Особенности каждого метода печати описаны в колонке ниже. Пожалуйста, ознакомьтесь с ней.

3. Сравнение медных материалов для 3D-принтеров

3-1. Сравнение чистой меди и медного сплава

Медные материалы, используемые в металлических 3D-принтерах, в основном делятся на «чистую медь» и «медный сплав». Каждый из них имеет свои собственные характеристики, и выбирается материал, подходящий для данной цели.

Чистая медь обладает чрезвычайно высокой электро- и теплопроводностью, что делает ее пригодной для сильноточных применений, таких как шины и электроды, а также радиаторы, требующие отличного рассеивания тепла. Для этих применений требуется эффективная передача электричества или тепла, поэтому используется природа чистой меди. Однако прочность чистой меди имеет тенденцию к снижению при высокой температуре, а окисление прогрессирует, когда температура превышает примерно 300 ℃. Поэтому необходимо внимание при использовании при высокой температуре. Кроме того, печать методом лазерного луча затруднена, а метод электронного луча лучше для надежной печати. ​​С другой стороны, медные сплавы обладают улучшенной механической прочностью и термостойкостью по сравнению с чистой медью, и они подходят для деталей, которые будут использоваться в высокотемпературных средах или деталей, требующих стойкости к истиранию. Например, сплавы CuCrZr имеют тенденцию сохранять прочность при высоких температурах и используются для ракетных сопел и деталей автомобильных двигателей. Сплавы Cu-Ni имеют высокую антиокислительную способность и часто используются для морской среды. Медные сплавы не обладают такой высокой теплопроводностью и электропроводностью, как чистая медь, но используются в широком спектре применений благодаря улучшению прочности и термостойкости. Медные сплавы легче изготавливать, чем чистую медь, если рассматривать производство на 3D-принтерах.

3-2. Сравнение порошковых и проволочных материалов

Если классифицировать материалы по форме, то типичными являются «порошок» и «проволока».

Медные порошки используются в методах плавления порошкового слоя, DED и струйного метода связующего. В частности, при использовании в методе плавления порошкового слоя они характеризуются способностью производить детали высокой плотности с тонкими и сложными геометриями. Порошковые материалы могут обеспечить однородное качество продукции и оптимизировать характеристики чистой меди и медного сплава. Однако скорость печати немного медленная, а обработка и управление порошками могут быть затруднены. Кроме того, повторное использование и хранение порошков требуют внимания, а также требуются меры по охране окружающей среды и безопасности.
С другой стороны, проволочные материалы используются в методе DED. В частности, когда он печатается дуговым разрядом в качестве источника тепла, это называется проволочно-дуговым аддитивным производством (WAAM).
При использовании проволоки скорость печати выше, чем у порошковых материалов, поэтому она подходит для производства крупных деталей и для ремонтных работ. Подача материала для проволоки стабильна, и проволока обеспечивает превосходную производительность затрат. Когда требуется печать крупных деталей и быстрое производство, это большое преимущество. Помимо этого, существует метод, называемый моделированием методом послойного осаждения (FDM), который использует в качестве сырья нить, смешанную с частицами меди.

4. Проблемы и решения для 3D-печати меди

Печать медных материалов с помощью металлических 3D-принтеров имеет несколько проблем. Здесь рассматриваются три проблемы и показаны их решения с помощью лазерного метода и метода электронного луча.

Проблема 1: Высокая скорость отражения чистой меди

Чистая медь имеет высокую скорость отражения на поверхности, ее плавка с помощью широко используемого волоконного лазера затруднена из-за низкой скорости поглощения энергии.
Для решения этой проблемы предложены три подхода: «изменение длины волны лазера», «увеличение мощности лазера» и «использование метода электронного пучка».

・Изменение длины волны лазера

Скорость поглощения лазерного излучения медью существенно меняется в зависимости от длины волны.
Коэффициент поглощения инфракрасного лазера составляет около 5%, но как зеленый, так и синий лазер с короткой длиной волны имеют высокий коэффициент поглощения энергии, что способствует плавлению.
Однако с помощью зеленого или синего лазера трудно получить большую мощность.
Моделей 3D-принтеров, использующих их, не так уж много.

・Увеличение мощности лазера

При увеличении мощности лазера и повышении плотности энергии возможно локальное плавление меди даже в случаях, когда большая часть лазеров отражается.

・Использование метода электронного луча

Поскольку эффективность преобразования энергии электронного луча достигает 80% и выше, он более подходит для формования чистой меди, чем лазер. Чистая медь имеет высокую теплопроводность, и даже если она плавится, она быстро остывает и затвердевает, что затрудняет достижение высокой плотности с помощью лазера. Напротив, метод электронного луча имеет высокую мощность и эффективность, и это горячий процесс с предварительным нагревом, возможно формование с высокой плотностью.

Проблема 2: Ухудшение качества из-за окисления

Медь легко реагирует с кислородом, и когда во время печати образуется оксид меди, механическая прочность и электропроводность снижаются. Контрмеры против окисления во время печати методом лазерного луча заключаются в печати в среде инертного газа, такого как аргон и азот, и использовании порошкового материала после обработки поверхности.

С другой стороны, электронно-лучевой метод осуществляет печать в вакууме и может минимизировать влияние окисления.

Проблема 3: Изгибы и трещины из-за остаточного напряжения

Остаточное напряжение означает напряжения, остающиеся внутри материалов после снятия внешней силы. При печати металла на 3D-принтере материал расширяется и сжимается за счет повторяющегося нагрева и охлаждения. В ходе этого процесса, даже если одна часть остывает и пытается сжаться раньше, окружающие области препятствуют этому движению, что приводит к внутренним растягивающим и сжимающим силам. Это остаточное напряжение.
Накопление остаточного напряжения в печатном изделии может привести к его искривлению и появлению трещин.

Меры по решению проблемы снижения деформации остаточным напряжением включают в себя уменьшение температурного зазора между стадиями плавления и охлаждения посредством предварительного нагрева. Другой подход заключается в контроле общей деформации путем проектирования формы печатной мишени, регулировки угла печати и определения способа прикрепления поддерживающих материалов. Кроме того, локальная анизотропия остаточного напряжения может быть использована путем регулировки направления сканирования лазеров.

5. Пример 3D-печати для меди

Ниже представлен пример компании NDK Inc., которая использует чистую медь вместо медных сплавов и представила электронно-лучевой метод печати на 3D-принтере по металлу.

6. Заключение

Медь используется в широком спектре областей благодаря своим превосходным характеристикам. В последнее время стали использоваться медные детали, напечатанные на металлических 3D-принтерах. Однако печать меди имеет много технических проблем, и необходимы соответствующий метод печати и выбор формы материала.

Каждый из методов: лазерный и электронно-лучевой имеет свои преимущества. Рекомендуется учитывать разницу между чистой медью и медным сплавом, порошковыми и проволочными материалами и выбирать оптимальный метод печати.

Сопутствующие продукты

Секреты разработки