[启明增材制造]铜以红橙色调著称，凭借卓越的物理性能成为广受欢迎的金属材料。这些特性使其成为电子、终端零件制造等诸多行业的关键材料。随着3D打印技术的发展，铜又开辟了新的应用领域，能够实现以往难以制造的复杂定制设计。为更好地了解这种金属的特性、它为3D打印零件带来的优势，以及市场上的领先制造商，可参考本指南。
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材料特性
铜（Cu）的原子序数为29，是一种化学元素。它是全球用量第三大的金属，仅次于铁和铝，同时也是增材制造中日益受欢迎的选择。铜之所以广受欢迎，源于其独特的性能，尤其是导电性。凭借良好的导电性、延展性和可锻性，它成为制造电子元件最常用的金属之一。
就3D打印应用而言，铜基合金种类繁多，彼此之间略有差异。下面列出一些最常见的合金及其具体特性：
Cu（纯铜）：导电性和导热性优异，用于电气元件；
CuCrZr（铜铬锆合金）：提高抗变形能力和硬度；
CuCP（磷铜）：耐腐蚀且延展性好；
CuSn（镀锡铜）：提高耐腐蚀性和硬度；
CuNi30（铜镍30合金）：具有更好的耐腐蚀性和力学性能。
铜粉（图片来源：Inoxia）
这种材料的提取始于矿山（露天矿或地下矿），铜矿石在那里从矿体中开采出来。开采后，矿石经破碎和研磨被加工成更小的颗粒，以便铜与其他矿物解离。随后，通过选矿、熔炼或电解精炼等一系列工艺，原矿被转化为不同纯度的金属及其合金。也正是在这一转化阶段，铜以粉末还是丝材形式用于增材制造得以确定。
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铜及铜合金的打印
如前所述，铜具有良好的耐腐蚀性，可延长打印零件在恶劣环境中的使用寿命。此外，经过适当的工艺优化，铜还能表现出颇具竞争力的力学性能，包括硬度和耐磨性。不过，铜的3D打印也存在一些难点。
例如，铜的熔点相对较低，可能使材料熔融过程变得复杂，并影响层间结合质量。此外，铜的高导热性可能在冷却过程中引发变形问题，从而影响零件的尺寸精度。尽管如此，这种金属仍可用于增材制造，为要求最严苛的行业制造零件。
3D打印铜零件（图片来源：EOS）
如今可用于铜的3D打印技术有很多，其中最常见的是基于粉末体系的技术。首先是金属粉末床增材制造（L-PBF、DMLS或SLM），该工艺可用于几乎所有金属合金（包括铜）的最终零件和原型制造。该技术在质量、强度和致密度方面远优于传统工艺。电子束熔融（EBM，Electron Beam Melting）也是一种兼容铜合金的选择，尤其适合高端原型制造和小批量生产。
铜零件也可以通过粘结剂喷射（binder jetting）来制造。需要说明的是，纯铜用这种方法很难达到高密度，但一些公司已开发出专门解决方案来实现这一目标。借助该工艺，既能利用增材制造在几何自由度方面的优势，又能以相对较低的成本用这种导电金属制造零件。
定向能量沉积（DED）同样是一种兼容铜的增材制造技术，根据设备不同，材料可以是粉末或丝材。与其他金属3D打印技术不同，DED依靠材料在实时熔融过程中逐层添加，因此在制造复杂几何形状方面具有较大灵活性，也具备修复现有部件的能力。
最后，还有两种通常用于塑料材料的技术，在特定例外情况下也可用于制造铜零件，即挤出式3D打印（FFF/FDM）和光固化（vat photopolymerization）。它们并非铜的主流增材制造方案，但进一步拓展了铜零件成形的技术选择。
就前者而言，Markforged 已开发出可处理金属丝材的挤出式解决方案，Metal X 便是其中一例。这台 FFF 3D 打印机可加工包裹在塑料粘结剂中的金属粉末，并逐层沉积成形。打印完成后，零件需经清洗并放入烘箱，以热去除残余粘结剂并使其获得全部性能。至于后者，holo、Admatec 和 Incus 等公司已开发出各自兼容铜的金属3D打印机，基于液体光刻制造技术。
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应用领域
铜有诸多优异特性，其应用范围自然十分广泛。无论采用何种增材制造技术，铜都以其高导热性和高导电性著称。因此，许多公司使用这种材料制造需要良好导电性的部件，例如感应线圈、电动汽车电机绕组、电磁线圈、波导和天线等。
此外，铜还是散热和热交换部件的理想金属，例如冷却板、散热器和热管、温度交换器、冷却装置、成形冷却模具镶件等。最后，在航空航天领域，这种金属材料常用于推进系统和火箭发动机零件。
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铜材料与设备制造商
根据制造铜零件所采用的技术不同，铜的形态也有所不同（主要为粉末和丝材）。目前，增材制造市场上已有多家公司供应各自的铜合金，包括 Sandvik、Höganäs、Safina 和 Mitsubishi Materials，以及 EOS、3D Systems 和 Elementum。
目前市场上有许多公司不仅开发铜合金，也在开发兼容铜的增材制造解决方案（图片来源：Beamler）
除了材料本身，同样值得关注的是那些开发出兼容铜的增材制造解决方案的公司。这其中包括前文提到的 Markforged、Holo、Admatec、Incus 和 3D Systems，此外还有许多其他企业，例如 Colibrium Additive（原 GE Additive）、Desktop Metal 与 ExOne、SLM Solutions、Renishaw、Optomec 和 DMG Mori 等，名单远不止这些。
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