本帖最后由 warrior熊 于 2022-8-6 08:30 編輯
導(dǎo)讀:銅和銅合金具有高導(dǎo)熱性(400 W/(m-K)、導(dǎo)電性(58 × 106 S/m)和可加工性等優(yōu)良的物化性能,,被廣泛用于航空航天,、汽車和電氣領(lǐng)域。特別是在熱交換器和散熱器的制作上,,銅是主要原材料之一,。近年來,隨著制造業(yè)和電氣業(yè)的快速發(fā)展,,對(duì)結(jié)構(gòu)的幾何復(fù)雜性的要求也逐漸提高,。傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式很難實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工,也正因如此,,能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜零件一體化成形的增材制造(AM)技術(shù)開始逐漸走上前臺(tái),,并開始在銅零件制作上展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。
在增材制造銅及銅合金部件的研究中,,研究人員做出了很大努力,。南極熊本期文章回顧了目前用于銅部件制作上的9種3D打印工藝,對(duì)每種工藝各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了評(píng)估,,總結(jié)了相關(guān)應(yīng)用案例,,并提出了增材制造銅合金部件的前景和挑戰(zhàn)。
1. 選區(qū)激光熔融(SLM)
選區(qū)激光熔融技術(shù)是一種粉末床熔融(PBF)增材制造技術(shù),,它以激光為熱源,。在SLM過程中,增材制造的結(jié)果受到參數(shù)的影響,,如激光功率,、散焦量(光斑大�,。呙柢壽E,、掃描速度,、層間距離等,下圖顯示了SLM技術(shù)的原理,。激光通過透鏡聚焦到XY掃描鏡上后,,通過XY掃描鏡的偏轉(zhuǎn)來調(diào)整激光的位置。零件通過CAD模型進(jìn)行切片,,并逐層打印,。每層完成后,通過調(diào)平輥對(duì)粉末層進(jìn)行重新鋪設(shè),。SLM技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn),,如加工速度快、工藝靈活性高,、材料利用率高,,這使得SLM技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。因此,,用SLM技術(shù)生產(chǎn)的純銅零件被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,。Wang等人利用SLM技術(shù)在鋼鐵表面生產(chǎn)純銅疏水層。在這項(xiàng)研究中,,由于SLM技術(shù)的高靈活性,成功地生產(chǎn)了接觸角高達(dá)160°的涂層,。
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△選擇性激光熔化(SLM)進(jìn)行增材制造(AM)的示意圖
純銅的優(yōu)點(diǎn)是物理性能優(yōu)良,,但也有在熔融狀態(tài)和液態(tài)下對(duì)激光的反射率極高的特點(diǎn)。市面上的SLM設(shè)備使用波長在1000-1100納米之間的激光器,。然而,,在這個(gè)范圍內(nèi),純銅對(duì)激光的反射率高達(dá)98%,。許多學(xué)者都指出了激光反射的危害,。在Jadhav等人的研究中,他們讓光學(xué)涂層在無保護(hù)的情況下暴露12小時(shí),,同時(shí)用波長為1080nm的激光在反射率為90%的銅基材上反復(fù)掃描,。下圖顯示了12小時(shí)反射后光學(xué)涂層的損壞情況。圖中顯示了涂層的明顯剝落,,這表明了反射激光對(duì)光學(xué)元件的損害,。此外,高反射率也會(huì)導(dǎo)致能量損失,,造成熱量輸入不足,。為了解決由激光反射引起的熱輸入不足的問題,,研究人員采取了不同的方法,如使用高功率單模光纖激光器,,使用其他波長或頻率的激光來增加吸收率,,或在粉末中添加其他元素來增加激光的吸收率。
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△光學(xué)鏡面的損壞
銅能比1000nm更容易吸收515nm的激光波長,。金屬對(duì)激光的吸收率高達(dá)25-40%,。因此,采用綠色激光作為銅的SLM 3D打印能源可以減少對(duì)激光能量的需求,,并提供聚焦精度,。在Prasad等人的研究中,為了保持必要的熱輸入,,與鋁,、鋼和鈦的添加制造相比,他們使用最大的功率(1千瓦)和最小的速度(0.1米/分鐘),。其他研究人員正在開發(fā)藍(lán)色和紅色激光的SLM技術(shù),,但對(duì)純銅的研究還不多。
2022年4月,,蘇州倍豐通過SP100金屬3D打印機(jī)針對(duì)銅合金&純銅材料打印有了突破性進(jìn)展,,純銅試樣在SP100上獲得圓滿成功。純銅件主要由于是高反射率材料,,打印相對(duì)較難,,因?yàn)槿肷涞募す饽芰坎荒鼙缓芎玫奈铡J忻嫔隙鄶?shù)打印設(shè)備都是采用綠激光來完成該材料制作,,而蘇州倍豐SP100能夠在不更換激光的前提下,,完美駕馭了該材料。
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△由SP100打印機(jī)加工完成的熱交換樣件
2. 選擇性電子束熔化(SEBM)
選擇性電子束熔化(SEBM)技術(shù)作為另一種PBF技術(shù),,其原理與SLM技術(shù)基本相同,。如下圖所示,SEBM技術(shù)也是通過三維建模建立零件模型,,然后通過電子束的選擇性熔化逐層生產(chǎn),。與SLM技術(shù)不同的是,SEBM使用的熱源是電子束,,電子束通過電磁線圈的影響使得電子束選擇熔化區(qū)域的變化,。此外,SEBM技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn),,例如:高真空,,避免了制造過程中零件的氧化;低反射率,使其適合加工高再反射率的材料,;在大多數(shù)情況下,,不需要熱處理,因?yàn)镾EBM成形過程需要對(duì)基材進(jìn)行預(yù)熱,;可以使用更高的功率以確保更高的加工率,。
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△ SEBM過程。左圖:成形室,。右圖:建造一層的4步流程,。
目前,SEBM技術(shù)被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,,如人造骨骼,、航空航天等。由于材料反射電子和光子的方式不同,,SEBM技術(shù)將非常適用于高反射率材料的加工,。因此,SEBM技術(shù)可以解決熔融狀態(tài)下銅的高反射率問題,。它已經(jīng)吸引了許多研究人員的注意,。此外,在純金屬增材制造的情況下,,它對(duì)污染物的影響很敏感,,特別是氧氣對(duì)零件性能的影響。SEBM的技術(shù)可以避免環(huán)境中氧氣的影響,,因?yàn)樗窃谡婵諚l件下進(jìn)行的,。然而,在運(yùn)輸和儲(chǔ)存過程中,,純銅粉的氧化是不可避免的,。Guschlbauer等人對(duì)此進(jìn)行了研究。他們通過使用不同氧含量的粉末生產(chǎn)零件,,并研究了氧含量對(duì)零件性能的影響。最后證明,,過高的氧化物含量會(huì)引起裂紋和其他缺陷,,這將嚴(yán)重影響零件的性能。
3. 粘結(jié)劑噴射(BJ)技術(shù)
粘結(jié)劑噴射(BJ)技術(shù)起源于20世紀(jì)90年代的美國麻省理工學(xué)院,。BJ增材制造技術(shù)以PBF技術(shù)為基礎(chǔ),,但在設(shè)備上存在一些差異,下圖是BJ增材技術(shù)的原理圖,。我們可以看到,,打印系統(tǒng)是由打印頭、撒粉器、加熱燈和打印進(jìn)給床組成的,。打印過程是BJ技術(shù)與其他增材制造技術(shù)的主要區(qū)別,。當(dāng)粉末鋪設(shè)在打印床上時(shí),與PBF技術(shù)不同的是,,打印頭不會(huì)按照計(jì)劃的路徑發(fā)射高能光束來熔化粉末,,而是噴射粘合劑。然后加熱燈會(huì)移動(dòng)到噴灑粘合劑的位置進(jìn)行加熱和固化,。當(dāng)粘合的部件被解粉后,,部件被放置在高溫爐中進(jìn)行燒結(jié)并熱解粘結(jié)劑。
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△粘結(jié)劑噴射工藝步驟的示意圖,。
隨著近幾年的發(fā)展,,BJ技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于各種材料,如金屬和陶瓷,。在目前的研究中,,金屬的增材制造引起了更多的關(guān)注。BJ技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于銅,、鐵,、鋁等純金屬和合金。由于其特殊的優(yōu)勢(shì),,BJ增材制造技術(shù)發(fā)展迅速,。與普通的PBF技術(shù)相比,它具有以下優(yōu)勢(shì): 1. 生產(chǎn)零件沒有尺寸限制,; 2.不需要支撐結(jié)構(gòu),; 3.適用材料范圍廣,不需要注意材料的熔點(diǎn)反射率等物理性能,,可以與不同材料混合,; 4.設(shè)備價(jià)格低,不需要封閉腔體,; 5.對(duì)粉末的要求低,。
BJ增材技術(shù)的特殊加工工藝適用于高反射率材料的加工,為純銅添加劑的加工提供了新的選擇,。早在2015年,,Bai等人就探討了用BJ增材技術(shù)生產(chǎn)純銅組件的可行性。文章談到了不同粉末生產(chǎn)的部件的密度,、收縮率和拉伸強(qiáng)度的變化,。最后,通過調(diào)整工藝參數(shù)得到了下圖所示的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件,。采用BJ增材技術(shù)生產(chǎn)的零件的最大密度為85.5%,。BJ增材制造技術(shù)生產(chǎn)的零件密度過低,,所以零件的抗拉強(qiáng)度低于傳統(tǒng)加工方法生產(chǎn)的純銅零件。密度比低是由于在通過BJ增材制造技術(shù)生產(chǎn)零件的過程中加入了大量的粘合劑,。在燒結(jié)過程中,,粘合劑被加熱分解后會(huì)留下大量的孔洞,從而降低了零件的密度,。同時(shí),,孔的存在也降低了零件的性能。
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△通過粘結(jié)劑噴射制成的復(fù)雜形狀的銅
2021年2月27日,,工業(yè)3D打印機(jī)制造商DigitalMetal宣布推出一種新的純銅粉末——DM Cu,,適用于粘合劑噴射3D打印技術(shù)。這種材料以優(yōu)異的導(dǎo)熱性而聞名,,成為熱交換器,、管道、發(fā)動(dòng)機(jī)和電子產(chǎn)品的散熱器等傳熱部件的選擇,,用戶可以通過配套的DM P2500 3D打印機(jī)制造出99.9%的純銅組件,。據(jù)悉,Digital Metal已經(jīng)通過內(nèi)部的一些測(cè)試應(yīng)用對(duì)新型DM Cu粉末進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),。首先,,公司3D打印了一個(gè)喇叭波導(dǎo)天線,用于引導(dǎo)無線電波的波束,。
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△3D打印的純銅喇叭天線,,圖片來自Digital Metal
4、選區(qū)激光燒結(jié)(SLS)
選區(qū)激光燒結(jié)(SLS)技術(shù)起源于20世紀(jì)80年代,,其工作原理與SLM相似,,只是所使用的材料是含有一定量的低熔點(diǎn)高分子聚合物 。像SLS和BJ這樣的技術(shù)被稱為兩步法,,通過打印得到生坯,,然后通過后處理的單獨(dú)操作或燒結(jié)來達(dá)到全密度。現(xiàn)在,,該技術(shù)已成為研究熱點(diǎn),,并逐漸應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。Amorim等人通過SLS技術(shù)研究了銅合金材料和純銅材料之間的EDM電極性能差異,。這項(xiàng)研究為工業(yè)界提供了一個(gè)新的思路,。雖然最后的結(jié)論發(fā)現(xiàn)效果并不理想,因?yàn)榱慵䞍?nèi)部有大量的孔,,純銅通過SLS制作的EDM電極無法達(dá)到良好的工作效果,但這也為今后的研究指明了方向,。
5,、超聲波增材制造(UAM)
超聲波增材制造(UAM)技術(shù)與SLM和SEBM增材制造技術(shù)不同。在UAM增材制造的過程中,不需要熱源,。UAM技術(shù)中的一小部分熱量是由摩擦產(chǎn)生的,,所以大多數(shù)學(xué)者更愿意用擴(kuò)散結(jié)合和摩擦攪拌焊接來與UAM進(jìn)行比較。有學(xué)者認(rèn)為,,UAM增材制造技術(shù)的結(jié)合機(jī)制是兩片金屬片之間的粘滑運(yùn)動(dòng),。這種結(jié)合機(jī)制介于擴(kuò)散結(jié)合和攪拌摩擦焊接的結(jié)合機(jī)制之間。
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△UAM技術(shù)原理示意圖
由于商業(yè)化的UAM增材制造設(shè)備功率較低,,它只適合于加工一些材料,,如薄鋁。因此,,愛迪生焊接研究所開發(fā)了一種高功率UAM增材制造技術(shù),,即 “極高功率超聲增材制造”(VHP UAM)。這也為純銅的UAM增材制造提供了新的方法和思路,。在Sriraman等人的研究中,,研究了純銅VHP-UAM添加劑制造的結(jié)合特性。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中,,150微米的銅箔被用作VHP-UAM添加劑制造的原材料,。零件的硬度測(cè)試表明,在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了明顯的軟化和增強(qiáng)的塑性流動(dòng),。加工前原材料的晶粒尺寸為25微米,,經(jīng)過短時(shí)間加工后在界面上形成了0.3-1.0微米的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶區(qū)。這種現(xiàn)象使冶金結(jié)合通過晶界遷移,,并使帶子連續(xù)焊接形成三維截面,。目前,關(guān)于UAM增材制造銅制復(fù)雜零件技術(shù)的研究并不多,。一方面,,它受到技術(shù)本身的限制,另一方面,,它受到零件性能的限制,。目前的研究大多是利用UAM快速成型技術(shù)制造由不同材料組成的零件,并研究其成型機(jī)制,。復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造一般是指生產(chǎn)具有復(fù)雜通道的零件,。
6. 激光金屬沉積技術(shù)(LMD)
激光金屬沉積技術(shù)(LMD)是一種定向能量沉積(DED)的近凈成形技術(shù),該技術(shù)有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),,雖然該技術(shù)的成形精度遠(yuǎn)不及PBF技術(shù),,但面對(duì)大型零件的生產(chǎn)和修復(fù),該技術(shù)可以發(fā)揮巨大的作用,。LMD技術(shù)與SLM技術(shù)相同,,都是以激光作為熱源,。近年來,LMD技術(shù)在業(yè)界引起了很大的關(guān)注,。Arregui等人在2018年研究了LMD增材制造金屬零件的幾何限制,。結(jié)果顯示,在不調(diào)整激光頭的情況下,,90-60°可以獲得良好的成型零件,。Singh等人檢測(cè)了LMD生產(chǎn)的1-3毫米的純銅包覆層,發(fā)現(xiàn)其結(jié)合強(qiáng)度可以達(dá)到48MPa,,且耐腐蝕性好,。它可以在活性腐蝕條件下保存很多年,但孔隙問題仍需迫切解決,。Yadav等人通過PBF工藝確定了LMD的工藝窗口,,最終獲得了密度高達(dá)99%的成型件,其拉伸性能經(jīng)測(cè)試高于傳統(tǒng)銅件,。
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△激光金屬沉積 (LMD)技術(shù)
7. 基于FFF原理的擠出式打印技術(shù)
國內(nèi)金屬陶瓷間接3D打印引領(lǐng)者深圳升華三維開發(fā)出一種擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的粉末擠出打印技術(shù)(Powder Extrusion printing,,PEP),該工藝克服了純銅材料3D打印制造領(lǐng)域的挑戰(zhàn),,在純銅3D打印上一舉填補(bǔ)國內(nèi)空白,。基于PEP技術(shù)3D打印純銅不需要高能激光束,,巧妙地避開了純銅打印過程中的高導(dǎo)熱率,、高反射率的問題,通過先打印生坯,,然后再經(jīng)過脫脂,、燒結(jié),得到純銅零件,。在打印過程中,,想要獲得高致密度或高導(dǎo)電導(dǎo)熱純銅制件,其純銅打印材料配方和脫脂燒結(jié)的工藝要求也非常高,,升華三維純銅顆粒料UPGM-CU則十分適配于純銅3D打印,,其保持原料高純凈度的同時(shí)還具有更易實(shí)現(xiàn)致密化的特性,能滿足不同銅零件的打印需求,。升華三維自主研發(fā)的3D打印設(shè)備,,可以加工純銅及其合金材料以制造致密的部件,目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于熱交換器,、散熱器和電感應(yīng)器的產(chǎn)品開發(fā)中,。
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△升華三維間接3D打印流程
德國初創(chuàng)公司TSI開發(fā)了一種熔絲FFF3D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,。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。在2021年6月,,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,。
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△使用nTopology 設(shè)計(jì),、TSI熔絲3D打印的純銅熱交換器
8. 冷噴涂增材制造
冷噴涂是一種利用固態(tài)粉末顆粒自固結(jié)能力而實(shí)現(xiàn)顆粒相互結(jié)合的粉末沉積方法,在高速?zèng)_擊的條件下,,這種粉末的自固結(jié)才能得以實(shí)現(xiàn),。該過程利用動(dòng)能的力量,而不是依賴高功率激光和昂貴的氣體,,以很低的成本進(jìn)行金屬3D打印,。
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△高/低壓冷噴涂設(shè)備系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖
SPEE3D金屬3D打印機(jī)的供應(yīng)商(特有冷噴涂技術(shù)),也是當(dāng)前澳大利亞陸軍制造合作伙伴,,已被美國海軍選中參加代號(hào)為MaintenX演習(xí),,通過本次合作,意在推動(dòng)將3D打印部署在實(shí)戰(zhàn)中,。SPEE3D工藝的最大優(yōu)勢(shì)是3D打印成本低,,縮短時(shí)間。例如,,下圖所示的銅輪僅在2.8分鐘內(nèi)完成,,成本僅為10美元,這是一個(gè)巨大的價(jià)格優(yōu)勢(shì),。
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△SPEE3D僅用2.8分鐘打印銅輪
9. 光固化技術(shù)
2021年8月,,美國Holo公司推出了一項(xiàng)使用光聚合物漿料和立體光刻技術(shù)(SLA)來制造精密金屬部件的技術(shù)——PureForm,目前在國內(nèi)目前還很少見,。這項(xiàng)技術(shù)的具體工作原理是: ① 制備專有的金屬-聚合物漿料,; ② 用光固化3D打印機(jī)進(jìn)行打印,; ③ 得到密集的金屬微粒聚合物基體,; ④ 脫脂; ⑤ 燒結(jié)得到完全致密的零件
因?yàn)椴捎霉夤袒夹g(shù)打印,,所以精度比較高,,能夠制造出150-200微米的結(jié)構(gòu),。Holo公司的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,。
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△立體光刻技術(shù)——PureForm
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△用3D技術(shù)打印的24個(gè)微型電感器線圈陣列,。照片來自Holo公司。
3D打印銅的前景和挑戰(zhàn)
銅及銅合金因其優(yōu)良的導(dǎo)電性,、導(dǎo)熱性,、耐腐蝕性和韌性而被廣泛用于電力、散熱,、管道,、裝飾等領(lǐng)域。一些銅合金材料具有良好的導(dǎo)電性,、導(dǎo)熱性和相對(duì)較高的強(qiáng)度,,它被廣泛用于制造電子、航空和航天發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室部件,。如今,,我們正面臨著工業(yè)輕量化和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的挑戰(zhàn),增材制造技術(shù)可以很好地解決這些問題,。
為了保證零件在實(shí)際生產(chǎn)中的性能和可用性,,應(yīng)該選擇合適的增材制造方法。SLM生產(chǎn)的零件精度高,,但銅的反射率高,,對(duì)工藝參數(shù)的適應(yīng)性要求高。另外,,由于SLM加工方法的快速加熱和快速冷卻,,樣品內(nèi)部容易產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。雖然通過基體預(yù)熱和后處理可以減少內(nèi)應(yīng)力的影響,,但也增加了工藝的復(fù)雜性[97],。SEBM技術(shù)是一種更適用于純銅添加劑的方法,但同時(shí),,由于設(shè)備價(jià)格高,,限制了該技術(shù)的廣泛應(yīng)用,生產(chǎn)的零件精度也略低于SLM技術(shù)[93]。BJ技術(shù)可以在低能量密度下生產(chǎn)綠色部件,,它必須進(jìn)行再加工,。與SLM和SEBM技術(shù)相比,BJ技術(shù)在后處理過程中很難保證零件的精度,,而且燒結(jié)過程中的參數(shù)對(duì)零件的成型也有很大影響,。
此外,純銅除了具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能外,,還具有抗菌和催化作用,。在Wang等人的研究中,交替沉積的鎳銅涂層被生產(chǎn)出來,,既具有良好的耐磨性,又具有抗菌性,。這為純銅的應(yīng)用提供了新的思路和方向,,它可以與其他金屬結(jié)合,生產(chǎn)復(fù)雜的醫(yī)療工具,。同時(shí),,在Yang等人的研究中,他們發(fā)現(xiàn)CuO可以催化偶氮化合物的分解,,使用納米多孔結(jié)構(gòu)不僅增加了比表面積,,而且避免了原材料的浪費(fèi),使催化劑可以循環(huán)使用,。
南極熊認(rèn)為,,增材制造的潛力還沒有被充分發(fā)掘,研究人員的任務(wù)還很重,。目前,,人們剛剛開始了解增材制造的過程并認(rèn)識(shí)到其潛力。在未來的發(fā)展中,,需要更好的工藝控制來進(jìn)一步提高零件的成型和性能,。不同的加工方法有不同的優(yōu)勢(shì),研究人員的不懈努力最終會(huì)促進(jìn)純銅零件生產(chǎn)的進(jìn)步,。在這些技術(shù)的推動(dòng)下,,有望找到解決純銅零件加工難題的辦法,加速各行業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步,。
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