纯铜3D打印新工艺：采用DLP工艺实现99.99%的材料纯度
纯铜3D打印仍然是当前的研究热点，目前已知的纯铜3D打印工艺包括激光/电子束粉末（床）熔融、粘结剂喷射以及FDM型的桌面式工艺，无论哪种，纯铜还都远远没有像其他材料那般获得大规模的应用。本期，3D打印技术参考介绍另一种纯铜3D打印工艺——基于DLP的数字光处理技术。
该技术的开发商为美国Holo公司，它于2014年被Autodesk收购，推出了基于DLP工艺的Autodesk Ember 3D打印机。但其创始人为了更好地发展业务，最终将公司于2017年从Autodesk脱离出来，并一直使用原技术开发金属3D打印零件。
专有的金属—聚合物浆料+成熟的MIM后端工艺
基于DLP的纯铜3D打印工艺，采用了Holo公司专有的PureForm技术，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，并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。
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。这一点无论对于基于DLP还是3DP亦或是注射成型的工艺都同等重要，然而在实际的制造过程中需要向金属粉末中添加其他物质，然后再制造出高纯净、高密度和高保真的零件。
Holo公司的专有浆料材料特性
用于脱脂和烧结的粉末冶金工艺已经非常成熟，Holo首先选择了能够提供合适化学性能的供应商，这一点非常关键；其次，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需要在可成型和保证性能之间进行平衡，如果树脂中含有污染物，就需要在烧结过程中通过特定的气体去除。
Holo公司的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。
铜粉原材料和打印完零件的成分和性能对比
优化设计+3D打印，将产品的性能翻倍
传统上，一些类型的冷却板需要通过切削制造，在金属工件上切出几十个翅片，每片的厚度约110μm，间距大致相同。由于切削路径的限制，这些翅片被加工成直线形式，通过产生空气或液体层流，来冷却设备。从传统角度，这种流动并不理想。层流穿过直通通道会产生沿翅片每侧下降的边界层，从而降低传热的有效性。3D打印所能做的，就是突破产品设计。
Holo对冷却板设计了几个沿着鳍结构的横梁，每一个横梁都有独特的设计，其数量会根据芯片上热点的位置和歧管内冷却剂的理想流量分布而不同。在此实例中，冷却板的有效区域为30*30mm，包含数百个细小的金字塔状结构，高度约150μm，这些结构被用作扰流器，增加了歧管内冷却剂的紊流。歧管管位于金字塔结构的顶部，几乎无法以其他任何方式加工，即使采用基于激光的SLM工艺，也存在粉末散落其中的风险。
3D打印的纯铜零件进行脱脂烧结
然而，Holo基于DLP的传统3D打印所制造的的鳍片宽度为170μm，这明显不如传统工艺，但事实是，最终产品的传热能力达到了传统产品的两倍。这正是零件创新设计实现了比传统产品更高的性能水平，而如果进一步优化工艺，将精度提高到100μm，这种性能的改进还将继续翻倍。
一种材料，一个市场
值得注意的是，Holo从未将自己定义为3D打印机设备开发商，而是零件供应商，至少在短期内不会出售其品牌的设备。Holo瞄准最终应用市场——为计算机行业的数据中心、高端CPU以及电动汽车等行业开发散热解决方案，并奉行一种材料一个市场的原则，这是一个价值40亿美元的市场。
Holo 3D打印设备
Holo 公司的行业定位
基于其专利工艺，Holo已经推出了316L、17-4PH、复合材料、陶瓷以及纯铜产品。目前，他们的一条试验生产线每月可生产20000个纯铜小零件，并希望每年生产数百万个铜散热片零件。3D打印为传统的散热片设计带来了变革，Holo无疑看到了批量生产以及复杂零件制造方面的机会。
基于DLP+脱脂烧结工艺制造的纯铜
根据其市场定位，Holo着重于三方面的挑战。一是材料密度，用于液体冷却的装置零件必须完全致密且封闭，即使是很小的泄露都可能导致危险，Holo需要研究打印和烧结行为，保证足够的密度以及零件制造的可重复性；二是导热率，这涉及到材料最终的纯度，任何与污染有关的事项都需要考虑在内；三是产品设计，Holo将自己定义为零件生产商，就不能只研究材料和工艺，还需要创新产品设计，这无疑需要了解重点行业产品的弊病。
END
无论对于计算机芯片还是电动汽车的电池，随着功率的增加，器件对散热的要求越来越高。复杂的热交换器和液体冷却装置需要高保真、复杂的几何形状，3D打印为突破传统机加工、焊接方案提供了新的制造工艺。传统行业将因增材制造受益巨大，但投资并不了解的新制造技术则可能并不是最佳方案。
无论哪种工艺，制造精度非常关键，尤其对于基于烧结的DLP和粘结剂喷射技术，零件收缩是一项需要克服的重要问题。
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