Pencetakan Tembaga 3D: Cabaran dan Penyelesaian Teknikal

Kuprum digunakan dalam pelbagai bidang seperti penukar haba dan talian kuasa kerana sifat fizikalnya yang unggul. Dengan menggunakan pencetak 3D untuk pembuatan aditif tembaga, kini boleh menghasilkan bentuk kompleks yang tidak boleh dicapai dengan kaedah pemprosesan tradisional, yang baru-baru ini menarik perhatian yang ketara.
Lajur ini menyediakan penerangan yang mudah difahami tentang pembuatan tembaga menggunakan pencetak 3D.

1. Sebab mengapa percetakan 3D tembaga menarik perhatian

Tembaga adalah bahan penting dalam industri moden, kerana sifat fizikalnya seperti kekonduksian haba yang tinggi, kekonduksian elektrik yang tinggi, dan kemuluran yang sangat baik. Sebagai contoh, penukar haba menggunakan paip tembaga untuk paip dalaman untuk mendapatkan kecekapan pertukaran haba yang tinggi. Juga, tembaga digunakan untuk corak papan litar bercetak dan kabel kuasa kerana ia mempunyai kekonduksian elektrik yang sangat baik.
Di samping itu, baru-baru ini, seperti yang diwakili oleh SDG, idea untuk memberi kepentingan terhadap kemampanan perniagaan telah tersebar. Oleh itu, adalah dianggap bahawa pencetak 3D memainkan bahagian aktif. Banyak syarikat dan institut penyelidikan memberi perhatian kepada pembuatan bahan tambahan untuk tembaga kerana mereka berpendapat bahawa pencetak 3D akan membantu menjadikan penukar haba dan kekonduksian elektrik lebih cekap. Pencetak 3D boleh membuat bentuk dengan bebas. Ia adalah mungkin untuk mendapatkan bentuk yang tidak mungkin sebelum ini dengan kaedah pemprosesan konvensional seperti pemesinan, pemotongan dan penekanan. Sebagai contoh, banyak syarikat sedang mempertimbangkan kemungkinan untuk menghasilkan motor yang lebih cekap dengan menghasilkan bahagian pin rambut dalam gegelung yang digunakan dalam kenderaan elektrik dengan menggunakan pencetak 3D. Jika kecekapan motor bertambah baik, jarak pelayaran kenderaan elektrik akan bertambah baik. Di samping itu, keupayaan penggunaan tenaga yang sangat cekap akan membawa kepada pengurangan karbon dioksida yang dikeluarkan daripada stesen janakuasa haba. Ini boleh menjadi pendekatan tepat kepada perniagaan mampan yang digariskan dalam SDG. Perkara yang sama berlaku untuk penukar haba. Kemunculan produk yang sangat cekap menggunakan bentuk bebas mengakibatkan pengurangan tenaga utama, membawa kepada realisasi industri yang mesra alam.

2. Jenis pencetak 3D yang boleh mengeluarkan tembaga

Jenis pencetak 3D yang boleh menggunakan aloi tembaga atau tembaga sebagai serbuk bahan mentah dikategorikan di bawah.

• Kaedah Powder Bed Fusion (PBF) (pancaran laser/pancaran elektron)
• Kaedah Pemendapan Tenaga Terarah (DED).
• Kaedah Fused Deposition Modeling (FDM).
• Kaedah jet pengikat

Ciri-ciri setiap kaedah cetakan diterangkan dalam lajur di bawah. Sila rujuk padanya.

3. Perbandingan bahan tembaga untuk pencetak 3D

3-1. Perbandingan kuprum tulen dan aloi kuprum

Bahan tembaga yang digunakan dengan pencetak 3D logam sebahagian besarnya dibahagikan kepada "kuprum tulen" dan "aloi tembaga". Setiap satu mempunyai ciri tersendiri, dan bahan yang sesuai untuk tujuan dipilih.

Tembaga tulen mempunyai kekonduksian elektrik dan haba yang sangat tinggi, menjadikannya sesuai untuk aplikasi arus tinggi seperti bar bas dan elektrod, serta sink haba yang memerlukan pelesapan haba yang sangat baik. Untuk aplikasi ini, ia diperlukan untuk menghantar elektrik atau haba dengan cekap, jadi sifat tembaga tulen digunakan. Walau bagaimanapun, kekuatan kuprum tulen cenderung menurun dalam suhu tinggi dan kemajuan pengoksidaan apabila suhu melebihi kira-kira 300 ℃. Jadi, perhatian diperlukan untuk digunakan dalam suhu tinggi. Di samping itu, percetakan dengan kaedah pancaran laser adalah sukar dan kaedah pancaran elektron adalah lebih baik untuk percetakan yang boleh dipercayai. Sebaliknya, aloi kuprum telah meningkatkan kekuatan mekanikal dan rintangan haba berbanding dengan kuprum tulen dan ia sesuai untuk bahagian yang digunakan dalam persekitaran suhu tinggi atau bahagian yang memerlukan rintangan lelasan. Sebagai contoh, aloi CuCrZr cenderung untuk mengekalkan kekuatan pada suhu tinggi dan digunakan untuk muncung roket dan bahagian enjin automotif. Aloi Cu-Ni mempunyai anti-pengoksidaan yang tinggi dan sering digunakan untuk persekitaran laut. Aloi kuprum tidak mempunyai kekonduksian terma atau kekonduksian elektrik sebanyak kuprum tulen, tetapi digunakan dalam pelbagai aplikasi kerana peningkatan kekuatan dan rintangan haba. Aloi kuprum lebih mudah dibuat daripada kuprum tulen apabila pengeluaran oleh pencetak 3D dipertimbangkan.

3-2. Perbandingan bahan serbuk dan dawai

Apabila dikategorikan mengikut bentuk bahan, "serbuk" dan "dawai" adalah tipikal.

Serbuk kuprum digunakan dengan kaedah peleburan katil serbuk, kaedah DED, dan kaedah jet pengikat. Khususnya, apabila digunakan dalam gabungan katil serbuk, ia dicirikan oleh keupayaan untuk menghasilkan bahagian berketumpatan tinggi dengan geometri halus dan kompleks. Bahan serbuk boleh menjamin kualiti produk yang seragam dan boleh mengoptimumkan ciri kuprum tulen dan aloi tembaga. Walau bagaimanapun, kelajuan pencetakan agak perlahan dan pengendalian serta pengurusan serbuk boleh menjadi sukar. Selain itu, penggunaan semula dan penyimpanan serbuk memerlukan perhatian dan pengurusan persekitaran serta langkah keselamatan juga diperlukan.
Sebaliknya, bahan wayar digunakan dengan kaedah DED. Khususnya, apabila ia dicetak dengan nyahcas arka sebagai sumber haba, ia dipanggil pembuatan aditif arka wayar (WAAM).
Apabila wayar digunakan, kelajuan pencetakan adalah lebih pantas daripada itu untuk bahan serbuk dan oleh itu ia sesuai untuk pengeluaran bahagian besar dan untuk kerja-kerja pembaikan. Bekalan bahan wayar adalah stabil dan wayar menawarkan prestasi kos yang sangat baik. Apabila mencetak bahagian besar dan pengeluaran cepat diperlukan, ia adalah satu kelebihan yang besar. Selain daripada ini, terdapat kaedah yang dipanggil pemodelan pemendapan bersatu (FDM) yang menggunakan filamen bercampur dengan zarah kuprum sebagai bahan mentah.

4. Isu dan penyelesaian untuk percetakan 3D tembaga

Mencetak bahan tembaga menggunakan pencetak 3D logam mempunyai beberapa isu. Di sini, tiga isu ditangani dan penyelesaiannya dengan kaedah laser dan kaedah pancaran elektron ditunjukkan.

Isu 1: Kadar pantulan tinggi kuprum tulen

Tembaga tulen mempunyai kadar pantulan yang tinggi pada permukaan, lebur dengan laser gentian yang biasa digunakan adalah sukar kerana kadar penyerapan tenaga yang rendah.
Untuk menyelesaikan isu ini, tiga pendekatan diperkenalkan: "menukar panjang gelombang laser" "meningkatkan kuasa laser", dan "penggunaan kaedah pancaran elektron".

・Tukar panjang gelombang laser

Kadar penyerapan laser kuprum banyak berubah disebabkan oleh panjang gelombang.
Kadar penyerapan laser inframerah ialah 5% atau lebih, tetapi kedua-dua laser hijau dan laser biru panjang gelombang pendek mempunyai kadar penyerapan tenaga yang tinggi, menggalakkan lebur.
Walau bagaimanapun, sukar untuk mendapatkan kuasa tinggi dengan laser hijau atau laser biru.
Tidak banyak model pencetak 3D yang menggunakannya.

・Meningkatkan kuasa laser

Dengan meningkatkan kuasa laser dan meningkatkan ketumpatan tenaga, pencairan kuprum secara tempatan adalah mungkin walaupun untuk kes apabila kebanyakan laser dipantulkan.

・Penggunaan kaedah pancaran elektron

Oleh kerana kecekapan penukaran tenaga bagi rasuk elektron adalah setinggi 80% atau lebih tinggi, ia lebih sesuai daripada laser untuk membentuk kuprum tulen. Tembaga tulen mempunyai kekonduksian terma yang tinggi dan walaupun ia cair, ia menyejuk dan memejal dengan cepat, menjadikannya sukar untuk mencapai ketumpatan tinggi dengan laser. Sebaliknya, kaedah pancaran elektron mempunyai kuasa dan kecekapan tinggi dan ia adalah proses panas dengan prapemanasan, pengacuan berketumpatan tinggi adalah mungkin.

Isu 2: Kemerosotan kualiti oleh pengoksidaan

Kuprum mudah bertindak balas dengan oksigen dan apabila oksida kuprum dihasilkan semasa percetakan, kekuatan mekanikal dan kekonduksian elektrik berkurangan. Tindakan balas untuk pengoksidaan semasa mencetak dengan kaedah pancaran laser, adalah untuk mencetak di bawah persekitaran gas lengai seperti argon dan nitrogen dan menggunakan bahan serbuk selepas rawatan permukaan.

Sebaliknya, kaedah pancaran elektron melakukan pencetakan dalam vakum dan ia boleh meminimumkan kesan pengoksidaan.

Isu 3: Melengkung dan retak akibat tegasan sisa

Tegasan baki bermaksud tegasan yang tinggal di dalam bahan selepas penyingkiran daya luar. Apabila mencetak logam dengan pencetak 3D, bahan mengembang dan mengecut dengan mengulangi pemanasan dan penyejukan. Semasa proses ini, walaupun satu bahagian sejuk dan cuba mengecut lebih awal, kawasan sekeliling menghalang pergerakan ini, mengakibatkan daya tegangan dan mampatan dalaman. Ini adalah tekanan sisa.
Apabila tegasan sisa terkumpul dalam produk bercetak, ia akan menyebabkan lengkung dan retak.

Langkah-langkah resolusi untuk mengurangkan ubah bentuk oleh tegasan sisa termasuk mengurangkan jurang suhu antara peringkat lebur dan penyejukan melalui prapemanasan. Pendekatan lain ialah mengawal ubah bentuk keseluruhan dengan mereka bentuk bentuk sasaran pencetakan, melaraskan sudut cetakan, dan menentukan cara memasang bahan sokongan. Selain itu, anisotropi tempatan bagi tegasan sisa boleh digunakan dengan melaraskan arah pengimbasan laser.

5. Contoh cetakan 3D untuk tembaga

Berikut ialah kes pengenalan NDK Inc. yang berpegang pada kuprum tulen dan bukannya aloi kuprum dan memperkenalkan pencetak 3D logam kaedah pancaran elektron.

6. kesimpulan

Tembaga digunakan dalam pelbagai bidang kerana ciri-cirinya yang sangat baik. Baru-baru ini, bahagian tembaga yang dicetak oleh pencetak 3D logam mula digunakan. Walau bagaimanapun, percetakan tembaga mempunyai banyak isu teknikal dan kaedah percetakan yang sesuai dan pemilihan bentuk bahan diperlukan.

Setiap kaedah: kaedah pancaran laser dan kaedah pancaran elektron mempunyai kelebihan tersendiri. Adalah disyorkan untuk mempertimbangkan perbezaan antara aloi tembaga dan tembaga tulen, serbuk dan bahan dawai dan pilih kaedah percetakan yang optimum.

Lebih Banyak Produk

Rahsia pembangunan