纯铜3D打印工艺在加速器和真空设备组件制造中的应用探索
金属3D打印技术能够制造复杂的功能集成零部件，这一优势在铜金属制造领域也同样能够得到体现，比如说在铜电感线圈制造领域，金属3D打印技术就可以用于替代传统制造工艺，直接制造复杂电感线圈, 避免对于组装的需求和因焊接带来的不足。
铜合金材料的增材制造工艺已获得了发展，但纯铜的3D打印仍存在着挑战。美国SLAC国家加速器实验室、北卡罗来纳州立大学等机构的研究人员，正在通过改善铜粉末表面质量和电子束熔融（EBM）3D打印技术，克服纯铜材料增材制造领域的挑战。
对这一技术在粒子加速器和真空设备中的铜组件制造中取得的阶段性成果进行了梳理。
铜金属3D打印发展趋势。来源：《铜金属3D打印白皮书1.0》（近期发布）
通过氢处理铜粉克服纯铜3D打印挑战
粒子加速器和真空设备中都需要一种导电性和导热性能良好的零部件，铜金属是适合这些应用的材料，因而在这一领域被广泛使用。
这些应用对于铜的纯度、密度和冶金性能（如晶体学纹理和晶粒尺寸）方面要求高，需要接近理论上可达到的最高质量。从制造的角度上来看，需要复杂的设计和广泛的冶金工艺路线，然后将多个组件组装、钎焊或焊接成最终零件。在传统制造工艺中，每个铜组件都是单独加工然后再焊接组装的，将多个零件钎焊在一起需要大量时间，精度和维护，而且两种相连的材料之间可能存在潜在的质量隐患。因此，研究团队希望找到减少组装的解决方案。
来源：SLAC/ North Carolina State University
金属3D打印技术为研究团队进行铜部件的制造提供了新思路。研究中使用的打印材料为高纯度的铜粉。视频中可以看到铜的3D打印过程，在计算机控制下，打印机进行逐层铺粉和打印，电子束将材料加热到约2000华氏度，将下一层材料与上一层焊接在一起。
可在粒子加速器中使用的3D打印铜组件样品：带有微冷却通道的速降管输出腔（左）和一组耦合的加速器腔。来源：SLAC
3D打印消除了传统制造过程中固有的设计约束，并允许构建非常复杂功能集成零件。研究团队在设计3D打印铜组件时利用了这一优势，他们在研究过程中设计了一款集成内部冷却通道的速降管组件（如图），速降管是一种可放大射频信号的专用真空管，这一功能集成组件的热传递性能得到改善。
金属3D打印技术为铜组件的设计优化带来了空间，但是铜的增材制造是充满挑战的。铜的高导热率可迅速从熔池中带走热量，从而促进局部和整体形成高热梯度，残余应力累积和失真。固结材料与周围粉末床之间的热导率显著差异加剧了变形和扭曲。熔池的快速固化和熔融铜的低粘度，也易于导致气孔等缺陷。[1]
市场上多数选区激光熔化3D打印系统中使用的激光器的铜吸收率低，因此必须使用大功率激光器，这会增加反冲压力、汽化、飞溅和相关缺陷。然而这些挑战也逐渐得到克服，例如通过电子束熔融（EBM ）技术制造非电子级的铜组件密度可超过99.95%,通过带有Nd:YAG光纤激光器的选区激光熔化（SLM） 技术制造的铜组件，密度可达96.6%。[1]
对于加速器应用而言，铜通常需要达到或超过1级无氧电子（OFE）铜的ASTM F68的要求，这些设备需要极高的质量和纯净的材料，以避免零件故障（例如破裂或真空泄漏）。尽管铜合金3D打印技术得到了发展，但进行高纯度铜增材制造仍是困难的。研究团队通过首先改善材料的表面质量，使用更细的铜粉并改变将层融合在一起的方式来解决这些挑战。但是，使用更细的铜粉使更多的氧气附着在铜粉上，增加了每层中的氧化物，使打印物体的纯度降低。
研究团队需要找到降低铜粉中氧气含量的方法，他们采用的方法是通过氢气将氧气结合成水蒸气，并将其驱离粉末。研究团队表示，在铜部件的传统制造中，水蒸气的形成会在材料内部产生高压蒸汽泡，材料会起泡并破裂，然而在增材制造过程中，水蒸气逐层逸出，从而能够更为有效的释放出水蒸气。
与这一方法相关的研究论文发表于Applied Science 杂志中，论文题为“Characteristics and Processing of Hydrogen-Treated Copper Powders for EB-PBF Additive Manufacturing”。
目前，通过3D打印技术制造加速器和真空设备高纯度铜组件的项目仍在进行中，研究团队组建了增材制造铜属性联盟来推动项目下一步发展，联盟成员中包括企业成员西门子和GE增材制造。
3D科学谷Review
两种基于粉末床熔融(PBF)的3D打印技术-选区激光熔化和电子束熔融，都在铜金属3D打印领域得到了应用发展，材料主要为铜基合金。
在本文中，研究团队所使用的电子束熔融3D打印技术，在铜金属3D打印领域已有实现商业化的案例。著名感应加热设备制造商GH Induction 已推出了3D打印铜金属产品-3DPCoil感应器。GH Induction 对其感应加热处理设备中的感应器进行了设计迭代，并使用电子束熔融（EBM）金属3D打印技术来制造迭代后的感应器-3DPCoil。
在铜基合金材料和激光器技术的发展推动下，选区激光熔化技术在铜金属制造中的应用也得到了发展，应用潜力体现在模具制造、电子散热器制造、电气工程的导电触点、焊接喷嘴、阀等多个领域。
3D科学谷近期将发布《铜金属3D打印白皮书1.0》，对铜的市场、铜金属3D打印设备、激光器、增材制造工艺、应用和供应链进行剖析，敬请关注。
参考资料：
[1] Christopher L, et al. Characteristics and Processing of Hydrogen-Treated Copper Powders for EB-PBF Additive Manufacturing. Applied Sciences,Volume 9,Issue 19. https://www.mdpi.com/2076-3417/9/19/3993/htm
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