純銅3D打印仍然是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，目前已知的純銅3D打印工藝包括激光/電子束粉末（床）熔融、粘結(jié)劑噴射以及FDM型的桌面式工藝，無論哪種，純銅還都遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有像其他材料那般獲得大規(guī)模的應(yīng)用。本期，3D打印技術(shù)參考介紹另一種純銅3D打印工藝——基于DLP的數(shù)字光處理技術(shù)。

該技術(shù)的開發(fā)商為美國Holo公司，它于2014年被Autodesk收購，推出了基于DLP工藝的AutodeskEmber3D打印機(jī)。但其創(chuàng)始人為了更好地發(fā)展業(yè)務(wù)，*終將公司于2017年從Autodesk脫離出來，并一直使用原技術(shù)開發(fā)金屬3D打印零件。

專有的金屬—聚合物漿料+成熟的MIM后端工藝

基于DLP的純銅3D打印工藝，采用了Holo公司專有的PureForm技術(shù)，利用高分辨率光學(xué)成像儀對(duì)純銅粉和光敏樹脂混合而成的漿料進(jìn)行3D打印，并結(jié)合已經(jīng)非常成熟的金屬注射成型（MIM）后端工藝，對(duì)打印后的生坯進(jìn)行脫脂和燒結(jié)，*終生產(chǎn)出高性能零件。

對(duì)于純銅3D打印工藝的開發(fā)，主要圍繞導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性展開。銅的導(dǎo)電性與其純度直接相關(guān)，任何污染物，特別是鐵，都會(huì)影響*終性能。這一點(diǎn)無論對(duì)于基于DLP還是3DP亦或是注射成型的工藝都同等重要，然而在實(shí)際的制造過程中需要向金屬粉末中添加其他物質(zhì)，然后再制造出高純凈、高密度和高保真的零件。

用于脫脂和燒結(jié)的粉末冶金工藝已經(jīng)非常成熟，Holo首先選擇了能夠提供合適化學(xué)性能的供應(yīng)商，這一點(diǎn)非常關(guān)鍵；其次，對(duì)樹脂基體的成分進(jìn)行了優(yōu)化，它不同于金屬注射成型中使用的蠟基材料，后者中的某些化學(xué)物質(zhì)會(huì)影響燒結(jié)零件的機(jī)械或化學(xué)性質(zhì)。Holo需要在可成型和保證性能之間進(jìn)行平衡，如果樹脂中含有污染物，就需要在燒結(jié)過程中通過特定的氣體去除。

Holo公司的漿料具有*的分散性，在打印過程中可形成均勻的層厚，打印機(jī)可在不到10s的時(shí)間內(nèi)固化新層。目前，Holo通過DLP+脫脂燒結(jié)工藝成型的純銅的致密度平均為96-98%，足以達(dá)到大塊銅95%的導(dǎo)熱率和導(dǎo)電率。此外，該工藝還可能會(huì)減少激光打印產(chǎn)生的裂紋問題。

優(yōu)化設(shè)計(jì)+3D打印，將產(chǎn)品的性能翻倍

傳統(tǒng)上，一些類型的冷卻板需要通過切削制造，在金屬工件上切出幾十個(gè)翅片，每片的厚度約110μm，間距大致相同。由于切削路徑的限制，這些翅片被加工成直線形式，通過產(chǎn)生空氣或液體層流，來冷卻設(shè)備。從傳統(tǒng)角度，這種流動(dòng)并不理想。層流穿過直通通道會(huì)產(chǎn)生沿翅片每側(cè)下降的邊界層，從而降低傳熱的有效性。3D打印所能做的，就是突破產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

Holo對(duì)冷卻板設(shè)計(jì)了幾個(gè)沿著鰭結(jié)構(gòu)的橫梁，每一個(gè)橫梁都有獨(dú)特的設(shè)計(jì)，其數(shù)量會(huì)根據(jù)芯片上熱點(diǎn)的位置和歧管內(nèi)冷卻劑的理想流量分布而不同。在此實(shí)例中，冷卻板的有效區(qū)域?yàn)?0*30mm，包含數(shù)百個(gè)細(xì)小的金字塔狀結(jié)構(gòu)，高度約150μm，這些結(jié)構(gòu)被用作擾流器，增加了歧管內(nèi)冷卻劑的紊流。歧管管位于金字塔結(jié)構(gòu)的頂部，幾乎無法以其他任何方式加工，即使采用基于激光的SLM工藝，也存在粉末散落其中的風(fēng)險(xiǎn)。

然而，Holo基于DLP的傳統(tǒng)3D打印所制造的的鰭片寬度為170μm，這明顯不如傳統(tǒng)工藝，但事實(shí)是，*終產(chǎn)品的傳熱能力達(dá)到了傳統(tǒng)產(chǎn)品的兩倍。這正是零件創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了比傳統(tǒng)產(chǎn)品更高的性能水平，而如果進(jìn)一步優(yōu)化工藝，將精度提高到100μm，這種性能的改進(jìn)還將繼續(xù)翻倍。

一種材料，一個(gè)市場(chǎng)

值得注意的是，Holo從未將自己定義為3D打印機(jī)設(shè)備開發(fā)商，而是零件供應(yīng)商，至少在短期內(nèi)不會(huì)出售其品牌的設(shè)備。Holo瞄準(zhǔn)*終應(yīng)用市場(chǎng)——為計(jì)算機(jī)行業(yè)的數(shù)據(jù)中心、高端CPU以及電動(dòng)汽車等行業(yè)開發(fā)散熱解決方案，并奉行一種材料一個(gè)市場(chǎng)的原則，這是一個(gè)價(jià)值40億美元的市場(chǎng)。

基于其專利工藝，Holo已經(jīng)推出了316L、17-4PH、復(fù)合材料、陶瓷以及純銅產(chǎn)品。目前，他們的一條試驗(yàn)生產(chǎn)線每月可生產(chǎn)20000個(gè)純銅小零件，并希望每年生產(chǎn)數(shù)百萬個(gè)銅散熱片零件。3D打印為傳統(tǒng)的散熱片設(shè)計(jì)帶來了變革，Holo無疑看到了批量生產(chǎn)以及復(fù)雜零件制造方面的機(jī)會(huì)。

基于DLP+脫脂燒結(jié)工藝制造的純銅

根據(jù)其市場(chǎng)定位，Holo著重于三方面的挑戰(zhàn)。一是材料密度，用于液體冷卻的裝置零件必須完全致密且封閉，即使是很小的泄露都可能導(dǎo)致危險(xiǎn)，Holo需要研究打印和燒結(jié)行為，保證足夠的密度以及零件制造的可重復(fù)性；二是導(dǎo)熱率，這涉及到材料*終的純度，任何與污染有關(guān)的事項(xiàng)都需要考慮在內(nèi)；三是產(chǎn)品設(shè)計(jì)，Holo將自己定義為零件生產(chǎn)商，就不能只研究材料和工藝，還需要?jiǎng)?chuàng)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)，這無疑需要了解重點(diǎn)行業(yè)產(chǎn)品的弊病。

END

無論對(duì)于計(jì)算機(jī)芯片還是電動(dòng)汽車的電池，隨著功率的增加，器件對(duì)散熱的要求越來越高。復(fù)雜的熱交換器和液體冷卻裝置需要高保真、復(fù)雜的幾何形狀，3D打印為突破傳統(tǒng)機(jī)加工、焊接方案提供了新的制造工藝。傳統(tǒng)行業(yè)將因增材制造受益巨大，但投資并不了解的新制造技術(shù)則可能并不是*佳方案。

無論哪種工藝，制造精度非常關(guān)鍵，尤其對(duì)于基于燒結(jié)的DLP和粘結(jié)劑噴射技術(shù)，零件收縮是一項(xiàng)需要克服的重要問題。

相關(guān)新聞