铜金属3D打印白皮书第三版

Whitepaper of Copper 3D Printing V3 3DScienceValley 随时查看白皮书请关注"3D科学谷"微信公众号：cn_3dsciencevalley 前言% 下一代导热、导电零部件正在来临 随看3D打印从航空航大和医疗领域走向更厂阔的民用市场，铝合金、不锈钢、铜合金将逐渐占王导。 纯铜及铜合金由于极好的导电、导热、耐腐蚀性及韧性等特点，被广泛应用于电力、散热、管道、装饰等领域，有的铜合金材料因具有良好的导电、导热性和较高强度，被厂泛应用于制造航空、航大发动机燃烧室部件。但是随着应用端对于复杂结构零部件的需求增多，传统加工工艺已逐渐无法满足需求。3D打印技未具有可成形复杂结构零部件，材料利用率高，无需模具等优点，该技未在制备复杂功能集成的纯铜或铜合金散热器与热交换器、尾喷管、电机绕组等零部件方面具有巨大的应用潜力。 纯铜及铜合金对近红外激光（如波长1064nm激光）的高反射率为铜金属3D打印带来挑战。根据3D科学谷的市场观察，这一挑战正在被不同技术路径所克服。在粉未床激光熔融增材制造-3D打印领域，短波长激光3D打印设备的商业化为高效、高质量的铜增材制造带来新的可能。除此之外，基于材料挤出、光聚合与粘结剂喷射工艺的铜3D打印设备也实现了商业化。多条增材制造技术路线齐头并进必将为下一代导热、导电零部件的制造带来多样化的解决方案。 本白皮书从铜金属宏观市场、铜金属增材制造技术、铜金属3D打印应用、研究成果与专利、供应链五个方面透视铜金属3D打印技木的发展趋势及潜力。希望本日皮书能句多推动铜金属3D打印技木在我国的应用发展。 感谢合作伙伴对本白皮书的支持，更多信息请访问：www.3dsciencevalley.com 3D科学谷市场研究团队.2023年 铜金属宏观市场 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 铜金属需求量概况 国际铜研究小组数据显示2023年1-9月全球精铜需求消费增速在3.0%。根据SMM预测，中国2023年铜标观需求在8.05%。整体来看，2023年无其是国内市场的铜需求是超预期的。预期2024年新兴领域带动用铜增量2.5%左右。 从电网投资额来看，电源投资额1-10月累计同比增加43.7%。 2023年1-10月份国网铜产品交货量45.1万吨相比2022年同增量期为12.3万吨 预计2023年新能源汽车带动用铜增量24万吨2024年带动用铜增量29万吨。 中国地产端的需求下滑拖累用铜需求一直是市场关注的焦点 光伏领域的全球新增装机来到了同比75%，用铜增量约76万吨。 2023年的家电增长超市场预期有行业自身周期的原因也有天气的因素。 风电行业给铜需求也带来小幅增量。2022年全球风电建设耗铜量为50万吨，预计2026年全球风电建设耗铜量约为110万吨，每年带来用铜需求增量在5-10万吨左右 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 铜金属增材制造市场发展趋势 根据3D科学谷全球战略合作伙伴AMPOWER的市场研究，2020年增材制造铜和青铜原材料消费量为73吨，预计2025年增长至495吨。目前，电动机及其系统以及热导体中都考虑使用增材制造铜组件。此外，增材制造铜金属组件还被用于制造航天发动机中的散热部件。 纯铜及铜合金增材制造应用还涉及到医疗、模具、油气、能源等其他领域。 3DScienceValley 铜金属增材制造技术 93DScienceValley www.3dsciencevalley.com 3DScienceValley 3D ScienceValley www.3dsciencevalley.com 5激光增材制造纯铜加工难点 可行性方案探索 铜激光增材制造的难点 铜金属的优点 设备及工艺 激光吸收率低（1064nm波长下铜的吸收率只有为2-3%，激光束能量的97-98%被反射了）损害设备元器件常规粉未床激光设备无法使其完全熔化无法形成平整表面 高导电性高导热性高反射性耐腐蚀性高表面光洁度无磁性良好的延展性 优化工艺参数，如：高激光功率。调整激光波长：515nm的连续激光器(绿光激光器)提高激光吸收率波长450nm的光纤耦合高亮蓝激光器。选择合适的打印基板材质 材料 合金化表面改性，如：金属颗粒表面镀一层几百纳米的低反射率金属碳纳米颗粒与铜粉混合对3D打印零件进行直接时效硬化 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 黄铜： 青铜： 以锌作为主要合金元素的铜合金，但可以含有Fe、AlNi、Si等。加工黄铜有3组Cu-Sn合金，Cu-Zn-Pb合金即铅黄铜，Cu-Zn-Sn合金即锡黄铜。铸造黄铜有4组：Cu-Sn-Zn合金即锡黄铜，高强度黄色黄铜又称锰黄铜”，高强度黄色铅黄铜，Cu-Zn-Si合金 以锌或镍为主要合金元素的铜合金。加工青铜分4组：Cu-Sn-P合金Cu-Sn-Pb-P合金，Cu-Al合金Cu-Si合金。铸造青铜有4组：CuSn合金，Cu-Sn-Pb合金，Cu-Sn-Ni合金，Cu-Al合金。 铜：金属铜的含量≥99.3% 高铜合金：又称低合金化铜，是指含有一种或几种微量合金元素以获得某些特殊性能的铜合金对加工产品，其铜含量为99.3%~96%,且不能划归任何铜合金组的；而对铸造产品其铜含量应大于94%而为获得某些特性可以加入银。 铜-镍-锌合金主要合金元素为Ni及Zn的铜合金，称镍银。也可以含或不含其他的合金元素。 铜-镍合金：以镍作为主要合金元素的铜合金。也可以含或不含其他的合金元素。 铜-铅合金铅含量等于或大于20%的铸造铜合金。般还含有少量的Ag,但不含Sn或Zn。 特种铜合金化学成分不可归于上述各种范围的铜合金。 3DScienceValley 最高温度(℃)合金功能AM合金用途200铝轻量化多种750铜高导热、高温强度GRCop-42GRCop-84燃烧室800铁镍高强度、耐氢性NASA HR-1喷嘴、动力头900镍高强度重量比喷射器、涡轮机1100镍基ODS高温下强度高；减少变GRX-810,718-ODS合金1850耐火极高温度C-103, C-103-CDS, Mo, W非冷却室 3DScienceValley 8“绿色”激光器 铜金属的加工 亚琛增材制造中心ACAM的增材领域研发伙伴之一Fraunhofer ILT弗劳恩霍夫激光研究所推出了“SLM绿色"解决方案。该方案中的激光器波长为515nm这意味着更少的激光功率输出。此外，激光束可以更精确地聚焦，使其能够使用新的选区激光熔化增材制造工艺制造更加精细的部件。 Fraunhofer IWS 研究所通过绿光3D打印技术制造复杂纯铜3D打印零件，其先前的实验反复表明，功率高达500瓦的红外激光束不足以完全熔化铜，所使用的能量中只有30%到达铜材料-其余的能量被金属反射，而最大功率为500瓦的新型绿色激光器提供了独辟蹊径的解决方案：铜粉吸收了70%以上的能量并完全熔化，从而使其可用于增材制造 3DScienceValley 短波长(绿光)激光器技术 大功率单模连续绿光激光器凭借其波长短、光束质量优的特点，在铜及铜合金增材制造上有明显的优势，高的激光吸收率和小的聚焦光斑使得其在铜及铜合金增材制造上有更高的成形效率、更好的成形质量、更高的打印分辨率及更大的工艺窗口。 典型粉未材料对各波长激光的吸收率 数据及图片来源：希禾增材 3DScienceValley 10蓝光二极管激光器 铜金属的加工 2018 年，岛津公司拟（日本）实现了其 BLUE IMPACT 蓝光冲击二极管激光器的商业化，这种激光器可以在高亮度下产生100瓦的功率。这款产品是岛津公司与日本大阪大学合作开发的，是日本国家项目的一部分。 BLUEIMPACT激光器结合了日亚化学公司（日本）的许多氮化镓(GaN)蓝色激光二极管，自2006 年以来效率提高了一倍输出功率提高了一个数量级。岛津 450 纳米蓝色二极管激光器的一个关键应用是铜材料的3D 打印。 铜对蓝色激光的吸收率很高，背反射的减少可以使加工过程变快，而这对传统的红外激光器是一个严峻的挑战。 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 11蓝色”激光增材制造应用 NUBURU以高功率蓝色激光技术为核心的企业该公司已融资2000万美元，用于发展工业生产线并开拓能量存贴、电动车和3D打印市场。 激光熔覆和激光金属沉积（LMD）是将原材料加热到其熔点并粘附到表面的两种应用。根据NUBURU,蓝色激光的优势允许将铜熔覆到不锈钢上 (反之亦然)。 工业蓝色激光可以将铜金属进行逐层熔覆，这一优势延伸到激光金属沉积增材制造工艺（LMD)对于金、铜、铝和其他反射金属而言，蓝色激光的构建速度比红外线激光快10倍，并带来更高质量。 3D ScienceValley www.3dsciencevalley.com 12金属粉末制粉技术 等离子雾化法 雾化法 等离子旋转电极雾化制粉(PREP) 真空感应熔炼惰性气体雾化法(VIGA法) 粉末具有流动性好、气体夹杂少、少或无卫星粉等优点 会在合金熔体中代入杂质，影响制备金属粉体的纯净度 超声雾化法 等离子熔炼感应气体雾化法(PIGA法) 接触式超声雾化技术 隔绝后续金属液流和铜埚壁的直接接触，提高了制备金属粉体的纯净度 在生产高熔点以及高腐蚀性金属粉末方面有很大的限制 等离子火炬雾化法(PA法) 非接触式超声雾化技术 由于其原料为原料丝，所以提高了原料成本，并且局限了其制备金属粉体的种类 生产高熔点、高粘度、细粒度金属粉末领域的较高优势 无蜗电极感应熔化气体雾化法(EIGA法 UniMelt 微波技术系统（6KAdditive) DirectPowder研磨制粉系统（MetalPowderWorks ) 提高了雾化粉体的纯净度，合金预制棒材相较于合金锭料成本较高，并且棒材合金均匀性对雾化后粉体化学成分有较大影响 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 13增材制造铜、铜合金粉末技术要求 标委制定了一系列的相关增材制造材料标准，《增材制造用铜及铜合金粉》标准便是该系列标准中一项增材制造用铜及铜合金粉检测的关键指标大有五，分别为化学成分、粒度、松装密度、振实密度、流动性。 [化学成分《增材制造用铜及铜合金粉》标准规定牌号主要有Cul、Cu2、CuCrZr、CuNiSi。·化学成分检测元素主要为、铜含量、铬含量、锆含量、镍含量、硅含量、磷含量、锡含量、钡含量、铅含量、砷含量铁含量、锑含量、铝含量、硫含量、锰含量、锌含量、氧含量以及杂质总和。这里主要参考的是GB/T5231规定的T2、T3、TCr1-0.15、TNi2.4-0.6-0.5化学成分要求。不过也增加了粉未氧含量要求，Cu1粉氧含量要求为≤0.05%，Cu2、CuCrZr、CuNiSi粉的氧含量要求为≤0.1%。CuSn10粉未成分接近GB/T 1176标准中铜合金ZCuSn10P1，该合金中P元素主要是提高金属溶液流动性和合金耐磨性，结合CuSn10粉末产品成分将P元素含量要求从0.8~1.1%放宽至≤1.1%，并增加了氧含量要求≤0.1%，其他成分也可参考依据GB/T1176检测。 [粒度l标准中粉末适用于粉未床熔融（选7区激光熔融）增材制造领域，粒度范围为15～53μm；Ⅱ类适用于粉未床熔融（电子束熔化)增材制造领域，粒度范围为45～106um。粒度检测可按照GB1480《金属粉末粒度组成的测定 干筛分法》和GB/T 19077《粒度分布 激光衍射法》的规定执行。 [松装密度l铜及