采用FFF熔丝挤出技术3D打印纯铜部件

来源：3D打印技术参考

TIWARI Scientific Instruments（TSI）是一家以设备为导向的德国初创企业，专注于材料热测量和测试系统以及金属和陶瓷增材制造技术，并为欧洲航天局（ESA）提供服务。其开发的熔丝FFF 3D打印工艺，可以在丝材中加入金属或陶瓷颗粒，并最终得到金属或陶瓷部件，从而为空间应用提供制造能力。

使用该工艺制造的不锈钢、钛、氧化铝以及碳化硅零件已经在ESA材料和电气元件实验室进行了全面的无损和破坏性测试，以评估其附加值和空间使用性。出人意料的是，这些3D打印的零件与传统制造的同类产品相比，具有更高的机械性能，其中不锈钢可以在不断裂的情况下延长到以前无法实现的100%。

△3D 打印的碳化硅过滤器

作为欧空局的孵化企业，TSI注重材料的热和机械性能。基于高的导热性，纯铜的3D打印一直备受关注，TSI希望能够推出低成本的3D打印解决方案。近日，该公司成功采用FFF技术实现了高密度、结构复杂、无氧纯铜散热器打印。

将纯铜加工成粉末或细丝均极具挑战。纯铜的3D打印工艺目前虽有很多，但多为孤例，每一种工艺从事的企业都极少。采用绿激光打印是当前粉末床技术的重要发展，而适用于3D打印的绿光激光器却极少，通快推出的产品目前也不单独出售。对于要求苛刻的应用，采用SLM打印的零件可能仍需要额外的机加工和后处理，这个过程可能会影响到零件的成分和性能。

△使用 nTopology 设计、TSI熔丝3D打印的纯铜热交换器

△TCT展会上通快的纯铜质量评估样件

使用FFF技术，部件打印的层厚设置为50μm，由于层厚导致的粗糙度会在烧结过程中因为收缩而降低。零件在生坯条件下可以手动抛光或机械加工，从而降低了进一步后处理的成本，然后再进行脱脂和烧结。采用TSI的技术，金属和陶瓷部件的致密度可超过 99%。

采用挤出技术3D打印金属部件，目前比较知名的国外企业有Desktop Metal和Markforged，国内有升华三维、上海复志以及纵维立方。DM的设备推出多年，但似乎在升级和应用方面并没有太多新闻，国内厂家的技术多比较类似。在材料方面，国外企业多可自主生产材料，国内则多采用第三方材料。

△使用 nTopology 设计、TSI熔丝3D打印的纯铜热交换器

热交换器散热效果模拟

通常，金属丝材的粘结剂含量较高，体积比占40%左右。在TCT 3D打印展会期间，上海复志展示了其公司基于挤出的金属3D打印机，在打印机旁放置的脱脂炉非常显眼；升华三维也在其官网展示了其脱脂炉；而Exone等公司的粘结剂喷射技术，则是将脱脂和烧结一步完成，没有单独的脱脂环节。

△升华三维的脱脂炉

△Markforged金属3D打印零件

国外研究人员使用Exone的设备已经进行过纯铜材料的研究，但所制备的材料致密度和其他性能都不高，且需要经过热等静压处理才能实现致密化（且只有烧结密度超过90%才有必要）；同时也发现，粉末的粒度分布、墨水成分等都是影响制件性能的关键因素。今年2月，Digital Metal宣布推出纯铜3D打印材料，成为第一个为粘结剂喷射3D打印系统提供官方认证的纯铜材料和工艺的设备商。根据该公司公布的数据，通过粘结剂喷射技术成型的纯铜致密度为96.6%，铜纯度为99.9%，然而并不知晓该公司的后处理工艺是否也包含了热等静压。

在DLP纯铜3D打印工艺方面，国外Holo公司利用高分辨率光学成像仪对纯铜粉和光敏树脂混合而成的浆料进行3D打印，同样是结合已经非常成熟的金属注射成型（MIM）后端工艺，对打印后的生坯进行脱脂和烧结，最终生产出高性能零件。Holo还对树脂基体的成分进行了优化，它不同于金属注射成型中使用的蜡基材料，后者中的某些化学物质会影响烧结零件的机械或化学性质。Holo公司称其浆料具有极佳的分散性，在打印过程中可形成均匀的层厚，打印机可在不到10s的时间内固化新层。目前，Holo通过DLP+脱脂烧结工艺成型的纯铜的致密度平均为96-98%，足以达到大块铜95%的导热率和导电率。此外，该工艺还可能会减少激光打印产生的裂纹问题。

对于纯铜3D打印工艺的开发，主要围绕导热性和导电性展开。铜的导电性与其纯度直接相关，任何污染物，特别是铁，都会影响最终性能。实际上除了激光和电子束能够直接熔化成型纯铜，DLP、FFF、3DP等工艺都无法摆脱脱脂烧结工艺。作为近些年流行起来的新金属3D打印类型，人们更应该关注3D打印之后的环节。