采用FFF熔絲擠出技術(shù)3D打印純銅部件

來源：3D打印技術(shù)參考

TIWARI Scientific Instruments（TSI）是一家以設(shè)備為導(dǎo)向的德國初創(chuàng)企業(yè)，專注于材料熱測量和測試系統(tǒng)以及金屬和陶瓷增材制造技術(shù)，并為歐洲航天局（ESA）提供服務(wù)。其開發(fā)的熔絲FFF 3D打印工藝，可以在絲材中加入金屬或陶瓷顆粒，并最終得到金屬或陶瓷部件，從而為空間應(yīng)用提供制造能力。

使用該工藝制造的不銹鋼、鈦、氧化鋁以及碳化硅零件已經(jīng)在ESA材料和電氣元件實驗室進行了全面的無損和破壞性測試，以評估其附加值和空間使用性。出人意料的是，這些3D打印的零件與傳統(tǒng)制造的同類產(chǎn)品相比，具有更高的機械性能，其中不銹鋼可以在不斷裂的情況下延長到以前無法實現(xiàn)的100%。

△3D 打印的碳化硅過濾器

作為歐空局的孵化企業(yè)，TSI注重材料的熱和機械性能�；�于高的導(dǎo)熱性，純銅的3D打印一直備受關(guān)注，TSI希望能夠推出低成本的3D打印解決方案。近日，該公司成功采用FFF技術(shù)實現(xiàn)了高密度、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、無氧純銅散熱器打印。

將純銅加工成粉末或細(xì)絲均極具挑戰(zhàn)。純銅的3D打印工藝目前雖有很多，但多為孤例，每一種工藝從事的企業(yè)都極少。采用綠激光打印是當(dāng)前粉末床技術(shù)的重要發(fā)展，而適用于3D打印的綠光激光器卻極少，通快推出的產(chǎn)品目前也不單獨出售。對于要求苛刻的應(yīng)用，采用SLM打印的零件可能仍需要額外的機加工和后處理，這個過程可能會影響到零件的成分和性能。

△使用 nTopology 設(shè)計、TSI熔絲3D打印的純銅熱交換器

△TCT展會上通快的純銅質(zhì)量評估樣件

使用FFF技術(shù)，部件打印的層厚設(shè)置為50μm，由于層厚導(dǎo)致的粗糙度會在燒結(jié)過程中因為收縮而降低。零件在生坯條件下可以手動拋光或機械加工，從而降低了進一步后處理的成本，然后再進行脫脂和燒結(jié)。采用TSI的技術(shù)，金屬和陶瓷部件的致密度可超過 99%。

采用擠出技術(shù)3D打印金屬部件，目前比較知名的國外企業(yè)有Desktop Metal和Markforged，國內(nèi)有升華三維、上海復(fù)志以及縱維立方。DM的設(shè)備推出多年，但似乎在升級和應(yīng)用方面并沒有太多新聞，國內(nèi)廠家的技術(shù)多比較類似。在材料方面，國外企業(yè)多可自主生產(chǎn)材料，國內(nèi)則多采用第三方材料。

△使用 nTopology 設(shè)計、TSI熔絲3D打印的純銅熱交換器

熱交換器散熱效果模擬

通常，金屬絲材的粘結(jié)劑含量較高，體積比占40%左右。在TCT 3D打印展會期間，上海復(fù)志展示了其公司基于擠出的金屬3D打印機，在打印機旁放置的脫脂爐非常顯眼；升華三維也在其官網(wǎng)展示了其脫脂爐；而Exone等公司的粘結(jié)劑噴射技術(shù)，則是將脫脂和燒結(jié)一步完成，沒有單獨的脫脂環(huán)節(jié)。

△升華三維的脫脂爐

△Markforged金屬3D打印零件

國外研究人員使用Exone的設(shè)備已經(jīng)進行過純銅材料的研究，但所制備的材料致密度和其他性能都不高，且需要經(jīng)過熱等靜壓處理才能實現(xiàn)致密化（且只有燒結(jié)密度超過90%才有必要）；同時也發(fā)現(xiàn)，粉末的粒度分布、墨水成分等都是影響制件性能的關(guān)鍵因素。今年2月，Digital Metal宣布推出純銅3D打印材料，成為第一個為粘結(jié)劑噴射3D打印系統(tǒng)提供官方認(rèn)證的純銅材料和工藝的設(shè)備商。根據(jù)該公司公布的數(shù)據(jù)，通過粘結(jié)劑噴射技術(shù)成型的純銅致密度為96.6%，銅純度為99.9%，然而并不知曉該公司的后處理工藝是否也包含了熱等靜壓。

在DLP純銅3D打印工藝方面，國外Holo公司利用高分辨率光學(xué)成像儀對純銅粉和光敏樹脂混合而成的漿料進行3D打印，同樣是結(jié)合已經(jīng)非常成熟的金屬注射成型（MIM）后端工藝，對打印后的生坯進行脫脂和燒結(jié)，最終生產(chǎn)出高性能零件。Holo還對樹脂基體的成分進行了優(yōu)化，它不同于金屬注射成型中使用的蠟基材料，后者中的某些化學(xué)物質(zhì)會影響燒結(jié)零件的機械或化學(xué)性質(zhì)。Holo公司稱其漿料具有極佳的分散性，在打印過程中可形成均勻的層厚，打印機可在不到10s的時間內(nèi)固化新層。目前，Holo通過DLP+脫脂燒結(jié)工藝成型的純銅的致密度平均為96-98%，足以達到大塊銅95%的導(dǎo)熱率和導(dǎo)電率。此外，該工藝還可能會減少激光打印產(chǎn)生的裂紋問題。

對于純銅3D打印工藝的開發(fā)，主要圍繞導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性展開。銅的導(dǎo)電性與其純度直接相關(guān)，任何污染物，特別是鐵，都會影響最終性能。實際上除了激光和電子束能夠直接熔化成型純銅，DLP、FFF、3DP等工藝都無法擺脫脫脂燒結(jié)工藝。作為近些年流行起來的新金屬3D打印類型，人們更應(yīng)該關(guān)注3D打印之后的環(huán)節(jié)。