一、引言
纯铜及铜合金以其卓越的导电、导热、耐腐蚀性及韧性等特点，在电力、散热、管道、装饰等诸多领域得到广泛应用。然而，传统加工工艺在应对复杂结构零部件的需求时逐渐显露出局限性。3D 打印技术的出现，为纯铜零部件的制造带来了新的可能性。近年来，纯铜 3D 打印技术不断取得新进展，其应用领域也日益拓展。
二、纯铜 3D 打印技术新进展
（一）绿光 3D 打印商业化的突破
纯铜对绿激光（500nm-559nm）的吸收率接近 40%，相当于常规 SLM 用红外激光的 8 倍。通快公司于 2018 年率先推出了第一款绿激光 3D 打印机，配备 515nm 的绿光激光器，打印的纯铜实现了 100％IACS 的电导率和 99.9％的致密度。2023 年，国内在绿激光 3D 打印设备商业化方面迈出重要一步，希禾增材推出 XH-M160G 设备，成为国内首家、全球第二家推出商业化绿激光 LPBF 设备的厂商，采用自研 532nm 单模连续绿光光纤激光器（500W/700W/1000W 可选），实现了超过 100％IACS 的电导率和超过 99.6％的致密度。2024 年，希禾增材进一步推出了打印尺寸达 350350500mm 的中大成型尺寸的绿激光 SLM 3D 打印机 XH-M350G。据了解，该公司还将陆续研发上市 XH-M600G、XH-M650G、XH-M800G 等大尺寸、多激光产品，以满足更多应用场景的需求。
（二）蓝光 3D 打印的研究进展
纯铜对蓝色激光（400nm-500nm）的吸收率达到 65%，相当于常规 SLM 用红外激光的 13 倍。虽然目前市场上尚没有基于蓝光的商业 LPBF 设备出现，但相关研究正在积极推进。日本研究人员于 2020 年首次报道采用蓝色激光打印纯铜。国内方面，华南理工杨永强教授团队在 2021 年将 1070nm 的红外光纤激光器与 450nm 的蓝光半导体激光器相结合，实现红外/蓝光复合，可打印多种材料。2022 年，美国空军“小企业创新研究”（SBIR）授予蓝色激光专家 NUBURU 开发新金属 3D 打印解决方案的任务，旨在获得高金属密度、微米级分辨率、零后处理，并将构建速度提升 100 倍，且该装备将具备区域打印能力。2023 年，Nuburu 与 GE Additive 签署联合技术协议，表达了采用蓝色激光开发区域 LPBF 设备的计划。
（三）电子束 3D 打印的改进
电子束 3D 打印纯铜具有诸多优势，如能吸收 80%的电子束能量，且真空环境可减少氧气对铜导电性的影响。然而，其表面质量较差一直是个问题。2023 年，GE Additive 公布了一种被称为 Point Melt 的新扫描方式，将于 2024 年推出。通过精确控制每个点的能量以及点与点之间的距离，可防止过多热量传输，使零件无论怎样摆放，每个面的粗糙度几乎一致，分布在 RA8-18μm 之间，与激光 SLM 打印的零件纵向面粗糙度相当，从而解决了表面过于粗糙的问题。
（四）七所高校联合研究的重大突破
2024 年 2 月，来自昆士兰大学、悉尼大学、丹麦技术大学、西北工业大学、重庆大学、皇家墨尔本理工大学、莫纳什大学的联合团队在《自然通讯》发表了题为“Manufacturing of high strength and high conductivity copper with laser powder bed fusion”的文章。研究人员展示了一种高强度、高电导率铜 3D 打印的设计策略，通过激光粉末床熔融（L-PBF）将一小部分六硼化镧（LaB6）纳米粒子均匀分散在纯铜中。所开发的 1.0LaB6 强化纯铜具有极优秀的机械性能和其他物理性能，其屈服强度为 347±2MPa，极限拉伸强度为 412±7MPa，断裂伸长率为 22.8±1.2%，电导率为 98.4%IACS，热导率为 387W·m−1·K−1。这一成果优于红外激光、绿激光和电子束打印的纯铜性能，且强于 NASA 开发的 GRCop-42 和 GRCop-84。
三、实际应用实例
（一）德国 Additive Drives 公司
该公司通过 3D 打印增材制造电动机定子绕组，显著改善了零件性能。在赛车引擎中，其带 3D 打印电动机定子绕组的设计，可使绕组到叠片铁心的强制传热防止热点形成，可变导体厚度减少电流位移，为获得最佳性能而开发；在电动车马达方面，适用于电动自行车的 3D 打印单线圈，可通过调整匝数来完美协调转矩行为，能应用于不同类别的电动自行车，具有极大的灵活性，无需工具调整；在牵引传动领域，3D 打印牵引电机的发夹式绕组，矩形铜棒代替了传统的缠绕铜线，更易于自动化，大大缩短了制造时间。
（二）苏州倍丰智能科技有限公司
在吴鑫华院士带领下，该公司成功解决纯钨打印过程中的难点，在 SP261 设备上实现了纯钨防散射栅格零部件的打印任务。使用该设备制造出的整体尺寸为 245x25x15mm 的防散射栅格件，壁厚最小达到 0.1mm，成形精度控制在 0.03mm 以内，致密度高达 99%。同时，纯钨打印件的 100%透光率保证了钨栅格在医疗实际应用中的 CT 探测器性能要求。
（三）Exaddon 公司与生物传感器和生物电子学实验室合作
由 Giorgio Ercolano 和 Tomaso Zambelli 教授领导的团队，利用 3D 打印技术制造出了仅 1 毫米高的微缩版《大卫》雕像，该雕像由纯铜制成。其采用的微金属打印方法核心部件是与悬臂梁连接的微移液管，可使研究人员用电化学方法将溶解的金属沉积在导电衬底上，精确度很高，能够一层一层地建造微小的金属结构。此技术首先引起了电子工业的兴趣，可用于将计算机芯片连接在一起，或精确修复微电子系统。
四、未来市场规模发展趋势预测
随着 3D 打印从航空航天和医疗领域走向更广阔的民用市场，铝合金、不锈钢、铜合金将逐渐占据主导地位。根据 3D 科学谷全球战略合作伙伴 AMPower 预测，至 2027 年铜合金的年增长率将达到 46.6%。纯铜及铜合金在散热、导电等方面的优势，使其在电动汽车、电动摩托、牵引电机等领域的应用需求不断增加。例如，电动机中更高的铜含量可减少损耗并改善绕组的热耦合。
另外，3D 打印技术在制备复杂功能集成的纯铜或铜合金散热器与热交换器、尾喷管、电机绕组等零部件方面具有巨大潜力，这将进一步推动纯铜 3D 打印市场的发展。同时，随着绿光、蓝光 3D 打印技术的不断成熟以及电子束 3D 打印表面质量的改善，纯铜 3D 打印的成本有望降低，效率和质量将进一步提高，从而吸引更多行业采用该技术，扩大市场规模。
然而，纯铜 3D 打印技术的发展也面临一些挑战。例如，相关设备和材料的成本较高，限制了其在一些对成本敏感领域的广泛应用；技术的成熟度和稳定性仍有待提高，需要进一步优化工艺参数和质量控制体系；此外，行业标准和规范的缺乏也可能影响市场的健康发展。
尽管存在挑战，但随着技术的不断进步和市场需求的持续增长，纯铜 3D 打印技术的未来发展前景依然广阔。预计在未来几年，该技术将在更多领域实现突破和创新应用，为制造业带来新的变革和机遇。各企业和研究机构也将加大研发投入，推动纯铜 3D 打印技术不断完善和发展，以满足不同行业对高性能、复杂结构纯铜零部件的需求。同时，政府和行业组织也将加强合作，制定相关标准和规范，促进纯铜 3D 打印市场的有序发展。
综上所述，纯铜 3D 打印技术正处于快速发展阶段，新的技术进展不断涌现，应用实例逐渐增多，市场规模有望持续扩大。在未来，该技术将在各个领域发挥更加重要的作用，为推动产业升级和创新发展提供有力支持。但要实现更广泛的应用和更大规模的市场增长，还需要解决当前存在的一些问题，不断提升技术水平和降低成本，以满足不同用户的需求。
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来源：贤集网
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