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(cè)量和測(cè)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(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了全面的無損和破壞性測(cè)試,，以評(píng)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(jī)械性能,，其中不銹鋼可以在不斷裂的情況下延長(zhǎng)到以前無法實(shí)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(jī)械性能,。基于高的導(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(shí)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(dú)出售,。對(duì)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(jī)加工和后處理，這個(gè)過程可能會(huì)影響到零件的成分和性能,。

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

△TCT展會(huì)上通快的純銅質(zhì)量評(píng)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(huì)在燒結(jié)過程中因?yàn)槭湛s而降低,。零件在生坯條件下可以手動(dòng)拋光或機(jī)械加工，從而降低了進(jìn)一步后處理的成本,，然后再進(jìn)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(jí)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(jì),、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(huì)期間,，上海復(fù)志展示了其公司基于擠出的金屬3D打印機(jī)，在打印機(jī)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(dú)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(jìn)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(shí)現(xiàn)致密化（且只有燒結(jié)密度超過90%才有必要）,；同時(shí)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(gè)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(duì)純銅粉和光敏樹脂混合而成的漿料進(jìn)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(duì)打印后的生坯進(jìn)行脫脂和燒結(jié)，最終生產(chǎn)出高性能零件,。Holo還對(duì)樹脂基體的成分進(jìn)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(huì)影響燒結(jié)零件的機(jī)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(jī)可在不到10s的時(shí)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(dá)到大塊銅95%的導(dǎo)熱率和導(dǎo)電率,。此外,，該工藝還可能會(huì)減少激光打印產(chǎn)生的裂紋問題。

對(duì)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(huì)影響最終性能。實(shí)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)。