高導電性和導熱性使銅成為(wei) 生產(chan) 要求具有高傳(chuan) 熱能力的零部件的最佳材料。比較典型的應用如製造管殼式熱交換器，銅材料的效率通過設計得到加強，具有高傳(chuan) 熱係數和高湍流。然而高性能設計通常需要許多製造工藝才能實現，銅熱交換器的理論效率將被降低。

通過增材製造實現的一體(ti) 化製造，可以有效解決(jue) 這類問題。但是銅增材製造仍然極具挑戰性。在本期穀.透視中，3D科學穀將對主流金屬增材製造技術之一，粉末床選區激光熔化工藝（LPBF）存在的挑戰及可行性方案的探索情況進行概述。

LPBF 銅增材製造挑戰及可行性方案探索

3D科學穀

銅的應用價(jia) 值

銅 (Cu) 作為(wei) 一種韌性金屬，具有良好的耐腐蝕性、低化學反應性、非凡的機械加工性和成型性以及高導電 (60 × 106 S/m，相當於(yu) 100% 國際退火銅標準 (IACS) ) 和熱導率 (400 W/mK)。

由於(yu) 這些獨特的特性，純銅在生產(chan) 用於(yu) 電子、散熱器、增壓空氣冷卻器和熱交換器等多種應用的設備以及電子封裝、汽車和建築行業(ye) 等各種工業(ye) 領域的設備方麵受到了廣泛關(guan) 注。此外，銅經常用作不同合金材料的基材，例如黃銅和青銅，其中分別將鋅和錫合金化。

材料性能效率通常通過特定的零部件設計來提高。銅的典型製造工藝，例如粉末冶金 (PM) 和傳(chuan) 統工藝（例如鍛造、機加工、擠壓和鑄造），可以生產(chan) 簡單的幾何形狀。但是難以生產(chan) 複雜部件或翅片式熱交換器和散熱器，或者在製造時需要焊接等其他工藝來實現。

相對而言，增材製造工藝對於(yu) 這種情況而言就更具優(you) 勢。因為(wei) 增材製造能夠實現大量薄翅片或具有特定幾何形狀的複雜流道，這些幾何形狀增加了交換麵積和湍流 。此外，增材製造的整體(ti) 式熱交換器和散熱器將更好地抵抗液體(ti) 壓力和泄漏。這些可行性為(wei) 製造性能緊湊型銅熱交換設備創造了條件。

《銅金屬3D打印白皮書(shu) 》 3D科學穀

不過，即使是在優(you) 勢明顯的情況下，純銅和銅金屬的增材製造應用仍存在一些挑戰，包括以下幾點：

• 由於(yu) 銅及其合金的高電導率和熱導率增加了從(cong) 熔池到周圍區域的熱傳(chuan) 遞率，並產(chan) 生高熱梯度和不利後果。

• 對於(yu) 激光增材製造來說，高激光反射率是另一個(ge) 最重要的問題。

• 快速傳(chuan) 熱和高反射率都阻礙了激光功率的吸收，導致高孔隙率和較差的機械、熱和電性能。此外，銅的延展性會(hui) 對粉末去除和回收後產(chan) 生負麵影響 ，可能是因為(wei) 在此階段構建的銅片很容易變形。

• 銅對氧化的高敏感性使粉末處理變得複雜。

LPBF 銅增材製造

LPBF工藝是加工金屬部件最常用的增材製造技術，因為(wei) 它可以生產(chan) 極薄和複雜的細節。然而，適用於(yu) LPBF 工藝的金屬材料必須滿足三個(ge) 基本要求：低熱導率， 高激光吸收，以及含有高沸點元素 。這些材料特性確保了穩定的熔池，使得材料易於(yu) 加工。

正是因為(wei) 如此，銅金屬成為(wei) 了一種難以用LPBF加工的材料。銅的高導熱性促進了從(cong) 熔池區域到周圍的快速熱傳(chuan) 遞，導致局部熱梯度增加。因此，層卷曲和分層是常見的缺陷。然而，銅增材製造可加工性的最大挑戰與(yu) 它的激光吸收有關(guan) 。

銅的激光吸收與(yu) (a) 波長、(b) 溫度的函數關(guan) 係。

LPBF 3D打印純銅零件的常見缺陷：（a）球化效應和（b）由於(yu) 熔池和凝固層之間的潤濕行為(wei) 不足導致的微球化效應；(c) 當大熔池不能徹底潤濕底層時邊緣升高，這種效果疊加在幾個(ge) 打印層上，看起來像一個(ge) 凸起的邊緣；(d) 打印層的分層，通常由熱梯度引起 ；(e) 因暴露於(yu) 激光背反射 12 小時而導致光學振鏡損壞的示例。

那麽(me) ，怎樣克服LPBF 工藝銅增材製造的挑戰呢？接下來，我們(men) 從(cong) 設備及工藝方案和材料方案兩(liang) 個(ge) 角度進行了解。

設備及工藝方案

根據3D科學穀的市場研究，通過實驗設計優(you) 化工藝參數是常見的方式。LPBF增材製造工藝優(you) 化中最常用的工藝參數是激光功率 (P)、掃描速度 (υ)、層厚 (s) 和掃描間距 (h) 。

例如，有的研究團隊采用連續光纖激光器，波長為(wei) 1070 nm，最大功率為(wei) 400 W，光束直徑為(wei) 70 μm。采用最佳工藝參數（掃描速度400 mm/s，掃描間距0.12 mm，層厚0.03 mm），得到的相對密度可達95%。銅被打印在不鏽鋼基板上，表麵粗糙度平均值等於(yu) 18μm。

3D打印複雜結構銅散熱器：柱狀、螺旋狀和彎管狀。

上圖顯示了模擬散熱器的結構。3D打印銅散熱器與(yu) 商用柱狀散熱器和塊狀銅對應物之間的比較表明，3D打印部件的熱導率 (368 W/mK) 和電導率 (5.71 S/m) 和硬度值 (108 MPa) 更高。

在優(you) 化工藝參數的方式中，使用更高的激光功率進行銅增材製造是常見方式。增加激光功率輸入對銅密度產(chan) 生積極影響，從(cong) 而對其性能產(chan) 生積極影響。例如有的研究團隊探索了使用最大功率為(wei) 500 W、光束直徑為(wei) 37.5 μm 的紅外光纖激光器銅增材製造工藝參數，得到的相對密度為(wei) 99.3%。工藝參數的優(you) 化包括等於(yu) 0.03 毫米的固定層厚度和0.09 毫米的掃描間距。

根據3D科學穀的市場研究，另一個(ge) 克服粉末床激光銅增材製造挑戰的思路是調整激光波長。較大的波長會(hui) 降低激光吸收率，而隨著較短的激光波長而增加。波長約為(wei) 520 nm 的綠色和藍色激光將激光吸收率提高到 40%

在主要研究中，銅相對密度隨激光輸入功率所產(chan) 生的變化（左）；純銅吸收率隨波長的變化（右）。

出於(yu) 這個(ge) 原因，較短波長的激光器被認為(wei) 是生產(chan) 全致密銅元件的可靠解決(jue) 方案。

根據3D科學穀的市場觀察，這一思路已被工業(ye) 級3D打印設備製造商所采用。例如，德國通快集團在TruPrint 1000 綠光版3D打印設備中配備了波長為(wei) 515納米的綠光激光器，該設備可采用指定銅含量大於(yu) 99.9% 的高導電純銅ETP（EN CW004A）。鉑力特針對純銅增材製造，提供搭載綠激光配置的金屬增材製造定製設備。這種短波長激光的應用將提升銅零件成形的成功率及致密度，同時降低能量損失和對設備損壞的可能性。

此外，打印平台/基板在保持均勻的粉末床溫度和工藝穩定性方麵發揮了關(guan) 鍵作用。因此為(wei) 銅增材製造選擇合適的基板也是其中一種應對挑戰的探索方式。

在 (a) 鋁製平台(b) 鋼製基板上生產(chan) 的 LPBF 3D打印銅樣品。

例如，有研究團隊用相同工藝參數，分別在鋁製基板和鋼製基板上進行銅增材製造，他們(men) 使用的參數為(wei) ：激光功率為(wei) 190 W，激光掃描速度為(wei) 500 mm/s。結果表明，由於(yu) 高導熱性，鋁製基板將熱量從(cong) 樣品迅速散發到致密平台。因此，平台與(yu) 試件之間的附著力較差，銅樣品底部發生翹曲和變形。這種不良的附著力也導致了熔池不穩定和不均勻。溫度分布並導致形成引起變形的熱應力。另一方麵，鋼基板促進了具有外翹和變形的冶金結合的形成，從(cong) 而提高了工藝穩定性。

材料方案

提高 LPBF 工藝銅加工性能的另一個(ge) 可行性方案的探索方向是改變原材料。

原材料改性是其中一種途徑。例如有的研究團隊將0.1 wt% 的碳納米顆粒與(yu) 銅粉混合。使用碳等元素來增強激光吸收率，而不會(hui) 降低熱性能和電性能，碳還降低了熱膨脹係數，可能有助於(yu) 提高打印部件的尺寸精度。結果表明，在 LPBF 過程中，光吸收率提高（精確地從(cong) 29% 到 67%）、流動性和原位脫氧，製造的樣品顯示出98%的相對密度。然而，碳納米顆粒和其他雜質沿晶界分離，銅部件的機械性能和導電性可能會(hui) 劣化。建議的解決(jue) 方案是使用無磷銅粉和一些碳吸收元素，例如鉻或鈦。

還有一種方式是通過在顆粒上創造一層錫和鎳塗層，來提升銅材料的激光吸收率。與(yu) 成分相似的原位合金粉末相比，3D打印樣品的孔隙率較低。

在銅粉中添加少量合金元素也是其中一種途徑。然而，即使是少量的第二元素也可能大大降低銅的導熱性和導電性。這個(ge) 想法是添加一種或多種導熱率較低的元素。在這些元素中，鉻是最常用的元素之一，因為(wei) 它提高了銅的機械強度。鉻的存在提高了可加工性，並允許獲得具有提高的拉伸強度的高密度組件。例如，有的研究成功實現了具有高強度和高導電性的 Cu-Cr LPBF工藝3D 打印組件。當使用一組優(you) 化的參數（激光功率為(wei) 2000 W，掃描速度為(wei) 600 mm/s，掃描間距為(wei) 0.2 mm，層厚為(wei) 0.05 mm）進行處理時，樣品的最終密度為(wei) 99.98%。成型後對零件進行熱處理，使Cr顆粒從(cong) Cu基體(ti) 中析出，大大提高了UTS（468 MPa）、YS（377 MPa）和電導率，達到98.31% IACS。

根據3D科學穀的市場觀察，通過材料來實現純銅粉末床激光熔化增材製造的技術已進入到商業(ye) 化階段。例如，德怡科技（Infinite Flex ）近日將其可用於(yu) 標準紅外激光 LPBF 3D打印設備的純銅粉末材料 Cu 01 推出市場。

3D打印純銅熱交換器樣件

德怡科技

對3D打印零件進行直接時效硬化(DAH)，也是提升銅LPBF增材製造可行性的方式。這種熱處理的應用產(chan) 生了細小的 Cr 析出物，增加了硬度和 UTS（從(cong) 287 到 466 MPa），而延展性略有下降。有的研究團隊，增材製造了密度接近 97.9% 的 Cu-Cr-Zr-Ti 銅合金樣件，並對樣件進行固溶退火和時效處理，導致了細長晶粒擴大。這些熱處理通常用於(yu) 提高強度。固溶退火用於(yu) 使合金元素固溶在銅基體(ti) 中，而隨後的時效處理旨在形成進一步強化的析出物。

銅金屬3D打印增材製造工藝呈現出多樣化發展。除了本期介紹的LPBF 工藝之外，粉末床電子束熔化、粘結劑噴射、材料擠出等幾種增材製造工藝也在銅金屬增材製造領域得到了發展。3D科學穀將在後續發布的穀.前沿文章中，透視這些技術在銅增材製造中的挑戰及可行性方案。

知之既深，行之則遠，3D科學穀為(wei) 業(ye) 界提供全球視角的增材與(yu) 智能製造深度觀察，有關(guan) 3D打印在細分應用領域的更多分析，請前往3D科學穀發布的《銅金屬3D打印白皮書(shu) 第二版》。

l 參考資料：

On the processability of copper components via powder-based additive manufacturing processes: Potentials, challenges and feasible solutions.

Laser 3D printing of complex copper structures.

Laser powder bed fusion of metal coated copper powders.

Copper-graphite composite: shear modulus, electrical resistivity, and cross-property connections

Effect of heat treatments on microstructure and properties of CuCrZr produced by laser-powder bed fusion.

Microstructure and mechanical properties of additive manufactured copper alloy.

Microstructure and properties of high strength and high conductivity cu-Cr alloy components fabricated by high power selective laser melting.