實(shí)現(xiàn)致密度超99.5%的高性能純銅3D打印，西空智造EBM技術(shù)新突破

南極熊導(dǎo)讀：銅及銅合金產(chǎn)品作為核心導(dǎo)電、導(dǎo)熱材料，廣泛應(yīng)用于電子信息、汽車、電力、散熱、航空航天及新能源等領(lǐng)域。隨著這些行業(yè)的迅猛增長(zhǎng)，應(yīng)用端對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的需求逐年增加，傳統(tǒng)加工工藝已無法滿足需求，3D打印純銅及銅合金復(fù)雜零部件受到了越來越多的關(guān)注。

電子束選區(qū)熔化（Electron Beam Melting，簡(jiǎn)稱EBM）技術(shù)是上世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種金屬制造技術(shù)。在真空環(huán)境中利用高能電子束流熔化金屬粉末，通過逐層熔化最終實(shí)現(xiàn)零部件的成形。該技術(shù)具有能量密度高、成形應(yīng)力小、能量吸收率高、掃描速度快、真空環(huán)境等突出優(yōu)勢(shì)，特別適合成形鈦鋁合金、鎢及鎢合金等硬脆、難熔材料，并且對(duì)于銅、金、銀、鎂、鋁等高反射材料的吸收率達(dá)90%以上，在航天航空、軍工、生物醫(yī)療、汽車等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

相對(duì)于激光選區(qū)熔化技術(shù)（SLM）而言，電子束選區(qū)熔化技術(shù)（EBM）成形純銅及銅合金復(fù)雜零部件具有能量利用率高、熔深好等優(yōu)點(diǎn)，是重點(diǎn)關(guān)注的直接3D打印方向。

一、激光選區(qū)熔化（SLM）成形純銅及銅合金面臨的挑戰(zhàn)
（1）反射率高：銅對(duì)紅外波段的激光（如常用的1064nm波長(zhǎng)光纖激光器）反射率極高，可達(dá)95%左右，這意味著大部分激光能量被反射，而不是被吸收用于熔化粉末，導(dǎo)致能量利用率低、熱輸入不足、工藝不穩(wěn)定、成形困難，尤其對(duì)高純度的純銅更是如此。

（2）激光振鏡損傷大：銅的高反射率會(huì)對(duì)激光器激光振鏡光學(xué)鏡面、腔室等造成嚴(yán)重?fù)p壞，難以大批量生產(chǎn)。

二、電子束選區(qū)熔化（EBM）成形純銅及銅合金的優(yōu)勢(shì)
（1）反射率低：電子束是帶電粒子流，不受光學(xué)反射率的影響，可以非常高效地將能量注入銅粉末中，導(dǎo)致能量利用率高、熱輸入充足、產(chǎn)品致密度高，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可控的熔化過程，適合加工銅等高反射率零件；

（2）真空度高：EBM工藝全程在高真空環(huán)境（約10-3Pa）下進(jìn)行，真空環(huán)境有效防止了純銅或銅合金粉末在高溫下的氧化，保證了粉末極低的雜質(zhì)和氧含量，同一批次粉末可多次循環(huán)使用；

（3）殘余應(yīng)力?。阂?yàn)镋BM隨層預(yù)熱的特點(diǎn)，極大地減少了打印過程中因快速加熱和冷卻產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，有效防止了零件變形和開裂，成形零部件內(nèi)部質(zhì)量好、良品率高，特別適合打印大尺寸或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的銅部件；

（4）成形效率高：電子束功率通常可達(dá)數(shù)千瓦，能快速熔化銅粉，且電子束偏轉(zhuǎn)速度極快，遠(yuǎn)高于激光振鏡的掃描速度，這使得它可以大幅提升打印速度，尤其在批量制造大型、致密零部件時(shí)更具效率；

（5）性能優(yōu)異：EBM成形的純銅及銅合金零部件純度高、致密度高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能優(yōu)異，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)方法難以達(dá)到的性能組合；

（6）設(shè)計(jì)自由度高： EBM可以制造出內(nèi)部具有復(fù)雜流道、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的輕量化、功能集成化的銅制部件，這是傳統(tǒng)加工方法難以實(shí)現(xiàn)的。

△表1  EBM與SLM成形銅及銅合金零部件特性對(duì)比

三、電子束選區(qū)熔化（EBM）成形純銅及銅合金的應(yīng)用
（1）電力驅(qū)動(dòng)—電機(jī)繞組
3D打印電機(jī)繞組具有更高的設(shè)計(jì)自由度，使得凹槽中的銅含量更大，能夠改善繞組的熱耦合，有效降低電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子損耗，提高電動(dòng)機(jī)的效率等。

圖1 典型3D打印增材制造電機(jī)繞組

（2）先進(jìn)熱管理—散熱器、尾噴管
3D打印散熱器、換熱器具有更高的設(shè)計(jì)自由度，可提高約一倍的冷卻效果，同時(shí)可減重約20%，效率提高約20%。3D打印的燃燒室和噴嘴被設(shè)計(jì)為一個(gè)整體的部件，它將實(shí)現(xiàn)更高的冷卻性能，同時(shí)減少零件數(shù)量和對(duì)裝配的需求。

  

圖2 典型3D打印增材制造散熱器

  

圖3 典型3D打印增材制造燃燒室、尾噴管

（3）潛力應(yīng)用-電感應(yīng)線圈
3D打印電感應(yīng)線圈能夠?qū)崿F(xiàn)整體成形，無需手工彎曲和焊接，避免了因焊接引起的疲勞開裂等問題，大幅提升了使用壽命與穩(wěn)定性；且具有更高的設(shè)計(jì)自由度，能夠優(yōu)化幾何形狀，提升導(dǎo)電導(dǎo)熱性能。

  

△圖4 典型3D打印增材制造電感應(yīng)線圈

西空智造公司電子束打印純銅及銅合金的進(jìn)展
西安空天機(jī)電智能制造有限公司（簡(jiǎn)稱西空智造），是針對(duì)空天動(dòng)力、新能源動(dòng)力等零部件從事智能3D打印的科創(chuàng)型企業(yè)，定位于空天動(dòng)力零部件及智能增材設(shè)備提供商。公司將智能增材制造特稱為“i-3D”，旨在突出3D打印從數(shù)字制造發(fā)展為智能數(shù)字制造；并自主創(chuàng)新發(fā)展智能激光鍛打印、激光/電弧合打印、電子束點(diǎn)打印技術(shù)，簡(jiǎn)稱“智能三打”。憑借這些前沿工藝，西空智造為空天動(dòng)力領(lǐng)域發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件的高性能與低成本制造提供了突破性解決方案，有力推動(dòng)了該領(lǐng)域“卡脖子”技術(shù)難題的破解。

西空智造采用電子束選區(qū)熔化（EBM）技術(shù)，可直接打印純銅與銅合金零部件。西空智造使用電子束選區(qū)熔化技術(shù)打印的純銅試樣綜合性能優(yōu)異，致密度≥99.5%，抗拉強(qiáng)度≥165Mpa，屈服強(qiáng)度≥76Mpa，導(dǎo)電率≥99% IACS，導(dǎo)熱率≥400W/(m·K)。

△西空智造電子束打印制備的純銅及銅合金樣件