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1、銅金屬3D打印白皮書1.0Whitepaper of Copper 3D Printing3D科學谷白皮書系列-Whitepaper-Version:20200202中文EnglishWhitepaper targeted to each application segmentFusionconvergenceUpgradingmultidimensionalglobalAME to fuse knowledge and insightsWebsitesWeChatbooks3D科學谷核心競爭力-整合力量與影響力Core Strength Integrative the Power and I

2、nfluence能量聚合融會貫通AME論壇深化認知白皮書系列針對每個典型應用及細分市場網站手機端銅1銅礦參考來源：產業信息我國銅礦儲量占比逐年下滑2008-2018年全球銅礦產量及增速純銅及銅合金由于極好的導電、導熱、耐腐蝕性及韌性等特點，被廣泛應用于電力、散熱、管道、裝飾等領域，有的銅合金材料因具有良好的導電、導熱性和較高強度，被廣泛應用于制造航空、航天發動機燃燒室部件。但是隨著應用端對于復雜結構零部件的需求增多，傳統加工工藝已逐漸無法滿足需求。選區激光熔化金屬3D打印技術具有可成形復雜結構零部件，材料利用率高，無需模具等優點，該技術在制備復雜結構的銅合金熱交換器、尾噴管等零部件方面具有巨大

3、的應用潛力。銅礦指可利用的含銅的自然礦物計和的總成，中國開采的主要是黃銅礦，其次是輝銅礦和斑銅礦。我國銅礦資源十分匱乏，約占世界儲量的3%，且有下滑趨勢。金屬材料鈦：以Metalysis為代表的專有技術有望將目前鈦粉制造成本降低到3%的水平。不銹鋼：以GKN增材制造材料為代表，開發了一系列用于增材制造的低合金鋼粉末；瑞典VBN Components 推出3D打印用耐磨鋼材料；Fraunhofer ILT研究所開發了新型不銹鋼合金避免裂縫和缺陷銅合金：國際上NASA等企業3D打印銅合金推力室部件通過熱火試驗；日本島津的BLUE IMPACT 藍光沖擊二極管激光器商業化；日本DaiHen開發了強度

4、是目前兩倍的3D打印用銅合金粉末。所有的因素有望催生3D打印在電動汽車（例如電動車的電機轉子），散熱器，電感應器的應用鋁合金：HRL，蘇州倍豐，Aeromet International紛紛開發出價格更低，更強的鋁合金，有望替代鍛造鋁合金。結合3D打印所釋放的設計自由度，高強度鋁合金將在包括壓力容器、液壓歧管、托架、高強度結構件領域開始顛覆產品制造方式。2金屬3D 打印及銅金屬2019發展趨勢銅材料與3D打印根據3D科學谷的市場觀察，已投入應用的典型3D打印銅合金粉末材料還包括: CuNi2SiCr 銅合金粉末; NASA（美國國家航空航天局）開發的高強度，高導電率的銅基合金GRCop-42;

5、 GKN 公司開發的CuCrZr、CuNi3Si材料，以及Heraeus 公司開發的CuSn10和CuSn8等。在我國增材制造企業中，西安鉑力特已在銅金屬激光成形領域取得了進展，研制出針對難熔金屬和高導熱、高反射金屬的3D打印工藝，實現了復雜流道的銅材料制造工藝，成功制備出3D打印銅合金尾噴管；長沙新材料產業研究院有限公司等材料企業進行了CuCrZr銅合金3D打印粉末的研發。德國Fraunhofer “SLM綠色”項目所推動了綠色激光器的發展，該激光器與1m波長的波長相比更短，波長在515nm，旨在解決銅對激光的高反射問題。參考來源：3D科學谷3D打印發展趨勢及中國市場的機遇與挑戰白皮書 ht

6、tp:/ 年島津公司擬（日本）實現了其 BLUE IMPACT 藍光沖擊二極管激光器的商業化，這種激光器可以在高亮度下產生 100 瓦的功率，島津 450 納米藍色二極管激光器的一個關鍵應用是銅材料的 3D 打印。銅的3D打印“綠色”激光器3由于銅的導熱性和反射性極佳，這使得銅金屬在3D打印機內部難以操作。雖然當前選擇性激光熔化（SLM）3D打印技術可以用于制造銅金屬粉末材料。但是銅金屬在激光熔化的過程中，吸收率低，激光難以持續熔化銅金屬粉末，從而導致成形效率低，冶金質量難以控制等問題。此外，銅的高延展性給去除多余粉末這樣的后處理工作增加了難度。Fraunhofer ILT推出了綠色激光器解決

7、方案，與1m波長的波長相比更短，波長在515nm。這意味著更少的激光功率輸出，此外，激光束可以更精確地聚焦，使其能夠使用新的SLM工藝制造更加精細的部件。銅金屬的加工藍光二極管激光器42018 年，島津公司擬（日本）實現了其 BLUE IMPACT 藍光沖擊二極管激光器的商業化，這種激光器可以在高亮度下產生 100 瓦的功率。這款產品是島津公司與日本大阪大學合作開發的，是日本國家項目的一部分。BLUE IMPACT 激光器結合了日亞化學公司（日本）的許多氮化鎵(GaN)藍色激光二極管，自 2006 年以來效率提高了一倍，輸出功率提高了一個數量級。島津 450 納米藍色二極管激光器的一個關鍵應用

8、是銅材料的 3D 打印。銅對藍色激光的吸收率很高，背反射的減少可以使加工過程變快，這對傳統的紅外激光器是一個嚴峻的挑戰。新研發的3D 打印機可以用純銅粉高效打印物體?，F有的 3D 打印機技術一般采用 CuCr1Zr 等銅合金來代替純銅。銅金屬的加工圖片來源：島津公司熱交換器5圖片來源： EOS一體式3D打印熱交換器為制造商節省了資金，在過去，組裝需要將非常細的管釬焊到歧管上。這不僅經常導致高壓應用中的大量泄漏情況，而且該過程不必要地具有挑戰性。3D打印的交換器不會遇到這個問題，因為所有部件都是在一個連續的過程中組合在一起的。3D打印的熱交換器比其他方式制造的熱交換器更輕，更有效。某些案例中通過

9、3D打印技術生產的熱交換器比使用其他方法生產的熱交換器輕約20，效率高20。銅與不銹鋼兩種金屬材料的一體化熱交換器結構件圖片來源：DMGMORI散熱器 銅電子散熱銅選區金屬熔化3D打印技術TheSys開發的CPU熱交換器，結果是CPU冷卻器以相同的冷卻性能運行，卻節約了81的空間。并且極大地縮短了開發時間（和成本）。除了CPU冷卻器外，還可以用于其他電子應用，包括高功率LED，激光器，自動駕駛單元，電力電子和化學微反應器。6圖片來源：EOS結構一體化圖片來源：StratasysStratasys的3D打印服務業務制造的銅材料復雜形狀的散熱器，避免了焊接的需求，使得結構更加緊湊。圖片來源： He

10、raeus由Heraeus增材制造有限公司與HyperganicTechnologies合作設計和制造的銅質熱交換器火箭發動機選區金屬熔化3D打印技術Aerojet Rocketdyne在火箭銅合金推力室3D打印領域取得的突破，為制造新一代RL10發動機帶來了可能性。3D打印銅合金推力室部件將替代以前的RL10C-1推力室部件。被替代的推力室部件是由傳統工藝制造的，由多個不銹鋼零件焊接而成，而3D打印的銅合金推力室部件則由兩個銅合金零件構成。7圖片來源：NASANASA在2015年取得了銅合金部件3D打印方面獲得進展，制造技術也是選區激光熔化3D打印，打印材料為GRCo-84銅合金。NASA用

11、這項技術制造的3D打印零件為火箭燃燒室襯里，該部件總共被分為8,255層，進行逐層打印，打印時間為10天零18個小時。這個銅合金燃燒室零部件內外壁之間具有200多個復雜的通道，制造這些微小的、具有復雜幾何形狀的內部通道，即使對增材制造技術來說也是一大挑戰。部件打印完成后，NASA的研究人員使用電子束自由制造設備為其涂覆一層含鎳的超合金。NASA的最終目標是要是要使火箭發動機零部件的制造速度大幅提升，同時至少降低50%的制造成本。Launcher 也測試了銅合金火箭發動機部件。Launcher2018年以來一直致力于開發概念驗證發動機E-1 ，這是一種3D打印銅合金（Cucrzr）發動機部件，集

12、成了復雜冷卻通道，這一設計將使發動機冷卻效率得到提升。傳統制造工藝通常只能實現相對簡單的標準形狀。然而，3D打印的電感線圈幾何形狀可以盡可能緊致，從而使得電感器實現更高的效率。3D打印的電感器形狀可以更加接近元件的輪廓，而電感器的形狀決定了效率。通過金屬增材制造（AM），可以實現優質的零件，這些零件具有高度復雜的幾何形狀，從而滿足規模生產的需求。 沒有焊接接頭的3D打印電感器需要更少的能量，具有更高的效率并且可以實現均勻的硬化結果。電感應器選區金屬熔化3D打印技術8圖片來源：GKN一般來說，電感應器中的電感線圈需要經歷若干機械制造工序。線圈通過手動彎曲和焊接達到想要的形狀，其中小塊銅（管）被放

13、在一起并焊接，焊接是一個耗時的過程并且導致大量的生產成本產生。焊接的挑戰是很難應對的，在焊接第二塊節點的時候，熱量將轉移到第一個焊接點。這種額外的熱量可以從第一個焊接點溶解焊料。即使是經驗豐富的工人也認為這是一項非常復雜和棘手的工作。每個焊接點都會破壞電流并導致性能顯著下降。電感器的效率不僅受焊接接頭的影響，而且還受到電感器幾何形狀的限制。GH Induction 公司為航空航天、汽車、機床工具、造船等制造業用戶提供零件熱處理解決方案。例如在汽車行業，GH Induction的感應加熱設備已為寶馬、沃爾沃、豐田、標志等眾多汽車制造商所使用，在車身、電機、傳動系統、車輪軸承等零部件的熱處理中發揮

14、著作用。電感應器選區金屬熔化3D打印技術9圖片來源：GH Induction著名感應加熱設備制造商GH Induction 已推出了3D打印銅金屬產品-3DPCoil感應器。GH Induction 對其感應加熱處理設備中的感應器進行了設計迭代，并使用電子束熔融（EBM）金屬3D打印技術來制造迭代后的感應器-3DPCoil，GH Induction 已為其3D打印銅感應器申請了專利。3DPCoil的產品優點正是來自3D打印技術，主要優勢在于無需使用釬焊就可以制造出一體式的銅感應器，銅感應器的密度是均勻的，感應器的冷卻效果得到優化。3D打印銅感應器的使用壽命與上一代感應器相比得到了顯著的提升，對

15、于使用感應加熱設備的制造業用戶來說，這意味著能夠減少更換感應器的頻次，繼而減少生產時間，節省每個零件的制造成本，提高對設備的投資回報率。運動控制選區金屬熔化3D打印技術10圖片來源：穆格穆格著眼于在提高金屬增材制造（金屬AM）方面的工藝知識和冶金理解以引領行業的發展，2018年穆格宣布將銅應用添加到其客戶可用的日益增多的產品清單中。銅金屬的加工不僅僅涉及到穆格對其直接金屬激光熔融設備的增材制造工藝的理解，對于銅金屬的后處理能力和其他加工能力也是十分重要的。在3D打印過程中由于銅可以反射激光能量，簡單地提高功率也會帶來加工挑戰。 在后處理過程中，通過HIP（熱等靜壓）和熱處理來滿足銅零件所要求的

16、性能參數，這一切都在不斷的探索和不斷的完善過程中。穆格的運動控制技術已經被廣泛應用于民用機座艙、發電風機、一級方程式賽車、醫用輸液系統等眾多的市場和應用領域，法蘭、零件修復冷噴Plasma Giken公司的高溫、高壓冷噴涂設備將銅材料冷噴到普通的不銹鋼材料基底上，再通過CNC機床加工來獲得兩種不同材料結合的法蘭零件。Plasma Giken公司的冷噴涂設備由北京聯合涂層技術有限公司代理。11在亞洲，日本東北大學早在2010年左右就開發出這項技術，并用于零件的修復。日本東北大學副教授小川和洋率領的研究小組將這項技術稱為納米修補技術，使修補損壞的金屬表面更為簡便。參考來源：3D科學谷http:/

17、瑞士能源研究能力中心（SCCER熱量和電力存儲）的財政支持下，科學家們采用熔融沉積3D打印技術來加工聚乳酸/銅復合細絲制造電極，并通過電鍍銅對其進行表面功能化，以消除這種動力學障礙。這種3D打印功能電極的方法，通過操作安全，可靠的實驗程序，最小的資本和運營支出，為金屬化3D打印復合電極的制造開辟了新的方向。預計這種金屬化電極將很快在電化學研究的各個領域以及教育機構的實驗室課程中找到應用。A）由Slic3r軟件生成的3D打印電極的結構以及顯示電極端的放大圖。（B）3D打印的一批PLA-Cu電極。在這項工作中使用的實驗裝置，用于（C）電鍍銅和（D）3D打印PLA-Cu電極的伏安法檢查。3D打印發動

18、機-含銅應用14Rocket Lab所獲批的專利US10527003B1(授權日2020年1月7日），詳細的披露了Rocket Lab通過增材制造工藝來制造火箭推力室、用于火箭發動機的噴射器和渦輪泵。3D打印的推力室可以使用鈦合金（包括Ti.sub.6Al.sub.4V），鋼合金（包括不銹鋼合金和馬氏體時效鋼合金）和Inconel合金（例如Inconel.RTM.625（UNS N06625）或Inconel.RTM.718（UNS N07718）或者銅合金。推力室的分解側視圖來源：Rocket Lab所獲批的專利US10527003B1(授權日2020年1月7日）供應鏈金屬材料15西安鉑力特

19、、無錫飛爾康、江蘇威拉里新材料、中航邁特、寧波中物力拓超微材料、長沙新材料產業研究院、成都優材、成都科萬智能科技、浙江亞通焊材、上海材料所、廣東省材料與加工研究所、深圳微納增材技術、江蘇天一超細金屬粉末、河南黃河旋風其他: Additive metal alloys, AMETEK, ArgenCorporation, Ampall, ATI Specialty Materials, CVRM, Cooksen gold, Ecka Granuies, Equispheres, Eramet-Erasteel, Eutectix, Falcontech, Global Tungsten&Pow

20、ders, H.C.Starck, Hoganas AB, NanoSteel, Osaka Titamnium, Praxiar Surface Technologies, Pyrogenesis, Legor Group, QuestekInnovations,Tekna, TLS Technik, USD Powder, Valimet, VBN Components, Wolfmet Tungsten Alloys, and the major metal 3D Printers such as EOS，and Concept L16全球十大產能礦山歸屬17銅金屬粉賀利氏（Heraeu

21、s開發了一種高導電性銅粉，其固體銅的密度為99.8，電導率約為95IACS（國際退火銅標準。市場上通常使用的IACS約為85。）Hoeganaes是GKN旗下專門提供高質量金屬粉末的公司，其產品包括鐵粉、銅粉、鎢粉、鈦粉等金屬粉末，廣泛用于粉末冶金，化工和焊接等工業。其市場份額世界第二。NASA（美國國家航空航天局）的研究人員開發了一種新的3D打印銅合金材料，并通過該材料和選區激光熔化3D打印設備制造了一種火箭推進部件。這一新材料是GRCop-42，它是一種高強度，高導電率的銅基合金，由NASA 馬歇爾太空飛行中心（MSFC）和俄亥俄州的美國宇航局格倫研究中心（GRC）的團隊創建。GRCop-

22、42 銅合金粉末可用于生產近乎完全密集的3D打印部件，如火箭燃燒室內襯和燃料噴射器面板。GRCop-42 3D打印銅合金粉末還有一個“前身“-GRCop-84。根據3D科學谷的市場觀察，NASA 從2014年開始開發這種用于制造火箭燃燒室的GRCop-84 3D打印銅合金粉末。繼2016年和2017年，NASA 在馬歇爾太空飛行中心對3D打印的GRCop-84組件進行熱火試驗后，該團隊開始開發GRCop-42。NASA 希望通過該材料具有與GRCop-84相似強度，但具有更高導熱率。日本DaiHen開發了強度是目前兩倍的3D打印用銅合金粉末18銅金屬粉SLM Solutions的銅合金CuNi

23、2SiCr 材料能夠與SLM Solutions的所有激光熔化3D打印系統兼容，是一種可熱硬化的合金，具有高剛度以及電導率和導熱率的平衡組合的特征。該合金中包括鎳和硅成分，具有很高的耐腐蝕性和耐磨性。SLM Solutions對CuNi2SiCr 銅合金材料進行了鑒定與參數驗證，并確立這款材料的理想打印參數。在測試這些參數時，銅合金突出的主要問題是對氧氣的敏感性，為了解決這個問題，SLM Solutions建議在使用該材料時，其系統中的氧氣最大含量為500 ppm。3D打印銅合金材料導電性通常低于純銅（IACS值為100），SLM Solutions的CuNi2SiCr材料在經過熱處理后，IACS值由打印完成時的14%，提升至40，導電性雖然低于純銅，但仍適用于部分導電應用。SLM Solutions的還提供青銅CuSn10，是一種銅錫合金，具有很高伸長率和適中的硬度。青銅具有良好的耐磨性和耐海水腐蝕和空化作用。典型應用包括：海洋環境中設備的組件和外殼。CuNi2SiCr 銅合金3D打印材料適合應用于模具制造、電氣工程的導電觸點、焊接噴嘴、閥等領域。CuNi2SiCr 材料的強度、電阻和導電性能使其非常適合于制造在機械、熱和摩擦應力環境中的導電性零件。