Промышленные применения AT & 3D решений для профессионалов

3D-печать медью - полное руководство

21.01.2022 Время чтения: 13 мин.
Сложность:
380 7

Медь - одна из самых новых и перспективных областей металлической 3D-печати для всего - от электродвигателей до радиаторов.

Ранее 3D-печать медью была сложной задачей из-за отражательной способности металла и его высокой теплопроводности, но прогресс в области принтеров и материалов в значительной степени решил эти первые проблемы. Сегодня 3D-печатные медные силовые установки отправляют ракеты в космос, 3D-печатные медные радиаторы охлаждают процессоры, а 3D-печатные медные катушки повышают производительность электродвигателей.


3D-печатные медные детали (Источник: Trumpf)

Зачем печатать медь в 3D?

Медь всегда была очень полезным металлом благодаря своей способности проводить тепло и электричество, противостоять коррозии и даже убивать бактерии и вирусы. Спрос на сложные медные детали растет по мере того, как 3D-печать открывает еще больше сфер применения и возможностей для этого металла.

3D-печать (также известная как аддитивное производство) позволяет создавать исключительно сложные формы, мелкие детали, внутренние структуры и решетчатые вставки, которые невозможны при любом другом виде производства металла. Эти возможности позволяют снизить вес, повысить эффективность и сократить время изготовления и сборки, поскольку многокомпонентные узлы могут быть напечатаны на 3D-принтере как единое целое.

Аддитивная металлургия

3D-печать также позволяет более эффективно производить этот относительно дорогой металл, сокращая количество отходов, поскольку для изготовления каждой детали используется только то количество материала, которое необходимо. Для компаний, заинтересованных в 3D-печати меди, снижение затрат на сырье имеет решающее значение.

Если вы уже производите медные детали на заказ, то с помощью 3D-печати вы сможете значительно снизить производственные затраты при оптимизации характеристик деталей.

3D-печатный медный радиатор от Markforged (Источник: Markforged)

Хотя существует не так много 3D-принтеров, которые могут печатать медью, все же существует достаточно большое разнообразие технологий печати и цен.

FDM-принтеры, использующие наполненную медью пластиковую нить, могут производить медные украшения, декоративные изделия и другие детали, которые почти на 100% состоят из меди. В то время как для более продвинутого производства 3D-принтеры, использующие медный порошок, стержни или медно-полимерную суспензию, производят промышленные детали с отличными механическими и проводящими свойствами, которые могут соответствовать международным стандартам, таким как IACS (Международный стандарт отожженной меди).

Давайте рассмотрим, какие типы принтеров сегодня могут работать с медью.

3D-принтеры с медной порошковой формовкой

3D-принтер TruPrint 1000 Green Edition от компании Trumpf (Источник: Trumpf)

Сплавление порошкового слоя - один из самых популярных методов 3D-печати по металлу, и несколько производителей оборудования недавно включили медь в список своих материалов. Поскольку медь обладает высокой отражательной способностью, обработка порошка с помощью лазеров представляла собой препятствие для производителей. Однако эта технология и материалы эволюционировали, чтобы решить эту проблему.

Производитель 3D-принтеров Trumpf, например, разработал промышленный зеленый лазер, который позволяет печатать 3D-материалы, такие как медь, медные сплавы и драгоценные металлы, которые трудно обрабатывать инфракрасными волнами.

Две технологии порошкового слоя для металлической 3D-печати, DMLS (прямое лазерное спекание металлов) и EBM (электронно-лучевое плавление), работают путем нанесения тонкого слоя медного порошка на платформу внутри принтера. Порошок нагревается, в то время как лазеры или электронные лучи прорисовывают первый слой детали. Когда частицы в слое сплавляются, платформа немного опускается в камеру сборки, а сверху насыпается свежий порошок, и процесс повторяется. Часть медного порошка, оставшегося после процесса, может быть переработана для использования в следующей печати.

Медный порошок для аддитивного производства от GNK Powder Metallurgy (Источник: GNK)

Струйные 3D-принтеры с медным связующим

Струйный принтер P2500 компании Digital Metal печатает медным порошком (Источник: Digital Metal)

Медный порошок, скрепленный жидким связующим веществом и спеченный в печи, - это метод 3D-печати, известный как струйная печать на связующем веществе, который позволяет получать детали без использования вспомогательного материала. Струйное нанесение связующего - это процесс без нагрева, при котором связующий слой распыляется между каждым слоем металла; связующее вещество затем удаляется в процессе спекания.

 Струйная обработка связующего - популярный метод аддитивного производства больших объемов металлических деталей.

 Featured image of Ставка на струйную обработку связующего для производственного аддитивного производства

3D-принтеры с FDM и осаждением металла на медь

Медные детали, отпечатанные на принтере Metal X компании Markforged (Источник: Markforged)

Наиболее экономичный подход к 3D-печати медных деталей - это использование машин, экструдирующих филамент. Металлический филамент для печати металлических деталей состоит из пластиковой основы с равномерно вкрапленными в нее металлическими частицами. Филамент с вкраплениями меди для медных деталей - это уникальный тип композитного филамента, который при правильном использовании позволяет получать прочные, химически стойкие и почти цельные металлические детали.

Практически любой принтер для моделирования методом наплавленного осаждения (FDM) может печатать почти цельнометаллические детали с помощью полимерного филамента, наполненного медным порошком. В настоящее время на рынке имеется только один вариант - от производителя нитей The Virtual Foundry. Компания утверждает, что ее медный филамент подходит для печати на любом филаментном 3D-принтере с закаленным соплом и горячим концом, температура которого может достигать 225 ºC. Однако детали не становятся металлическими сразу после печати и требуют дополнительных действий после печати, чтобы расплавить полимерное связующее и оставить только металл.

 Другие типы медных нитей содержат достаточно настоящих медных частиц, чтобы их можно было отполировать и придать им вес, похожий на металл, но они предназначены для декоративных целей.

 Одна компания из Чили под названием Copper3D производит нить с медным наполнителем, из которой получаются не металлические детали, а детали, обладающие антибактериальными и противомикробными свойствами меди. По словам компании, НАСА даже тестирует нить для использования в "межпланетном микробном заражении".

Помимо основных принтеров FDM, два других принтера, экструдирующих нить, также предлагают медь, но в них используются собственные запатентованные материалы. Компания Desktop Metal использует связанную металлическую нить, а Markforged - аналогичный металлический порошок, связанный в пластиковую матрицу. Принтеры этих производителей производят цельнометаллические детали, предназначенные для промышленного использования, такие как станки, индукционные катушки, радиаторы и функциональные прототипы.

Медные 3D-принтеры для холодного распыления и DED-печати

3D-принтер WarpSpee3D для холодного распыления (Источник: Spee3D)

Хотя эти два метода металлической 3D-печати обычно не объединяют вместе, мы объединяем их здесь из-за их общего применения для покрытия металлических деталей другим металлом и послойного наращивания металлических деталей металлическим порошком. 

Направленное энергетическое осаждение (DED) - это система, разработанная компанией Optomec из Нью-Мексико для создания, улучшения и ремонта металлических деталей. Подобно SLS, в DED мощные лазеры послойно наращивают 3D-структуры, создавая детали с высокой плотностью и прочностью, идеально подходящие для механических применений. В 2019 году компания Optomec разработала новый процесс DED для меди, чтобы производить теплообменники для использования в аэрокосмической, химической и других промышленных отраслях. 

Уникальность процесса WarpSpee3D компании Spee3D заключается в использовании сверхзвукового 3D-осаждения для производства деталей из ряда металлических порошковых материалов, включая медь и алюминий.

Холодное напыление - это технология аддитивного производства, при которой металлический порошок впрыскивается в сверхзвуковой поток газа под давлением. Вместо того чтобы плавить металл, холодное напыление скрепляет его в процессе, называемом пластической деформацией. Такие компании, как Spee3D, используют технологию холодного распыления для нанесения антимикробного медного покрытия на двери, поручни и сенсорные панели, предназначенные для использования в больницах, школах и других общественных местах.

Холодное распыление также является самым быстрым методом металлической 3D-печати. Компания Spee3D напечатала на WarpSpee3D облицовку сопла аэрокосмической ракеты весом 17,9 кг (на фото ниже) из чистой меди примерно за три часа при стоимости всего 716 долларов США, сообщает компания. Подобные детали обычно изготавливаются из цельной кованой меди, что занимает недели и стоит десятки тысяч долларов.

Одним из недостатков DED и холодного напыления является то, что они ограничены в производстве деталей сложной геометрии.

Медная обшивка сопла ракеты, медный молоток инженера без искр и медный кабельный зажим, 3D напечатанные компанией Spee3D (Источник: Spee3D)

Фотополимеризация

Медные детали из оборудования для аддитивного производства PureForm компании Holo (Источник: Holo)

Металлическая DLP 3D-печать похожа на смоляную 3D-печать тем, что в ней используется ультрафиолетовый свет, проецируемый на светочувствительную суспензию для послойного затвердевания. Вместо смолы в металлических DLP-принтерах используется жидкий полимер, наполненный металлическим порошком и небольшим количеством связующего вещества. После того как детали напечатаны, им предстоит пройти еще несколько этапов, прежде чем они станут окончательными металлическими деталями. Металлическая DLP-печать ценится за тонкую детализацию.

Калифорнийский стартап Holo недавно завершил строительство объекта, где он планирует 3D-печатать детали из чистой меди на своих запатентованных 3D-принтерах, которые не предназначены для продажи. Holo будет специализироваться на 3D-печатных медных решениях для охлаждения высокопроизводительных компьютеров, электромобилей, радиочастотных антенн и теплообменников.

Admatec, голландский производитель 3D-принтеров, предлагает принтеры, которые также используют медную суспензию для производства высокодетализированных медных деталей.

Материал из медной суспензии для 3D-печати (Источник: Admatec)