Overzicht van 3D afdrukken van koperpoeder
Koperpoeder voor 3D printen is een metaalpoeder gemaakt van puur koper of koperlegeringen dat wordt gebruikt als grondstof in verschillende 3D printtechnologieën voor de productie van koperen onderdelen en producten voor eindgebruik.
Enkele belangrijke eigenschappen en voordelen van 3D printen met koperpoeder zijn:
- Hoge elektrische en thermische geleidbaarheid gewenst voor elektronicatoepassingen
- Zeer hoge bewerkbaarheid voor goede afwerking en nabewerking
- Uitstekende mechanische eigenschappen zoals sterkte en vervormbaarheid
- Corrosiebestendigheid door de vorming van een beschermende koperoxidelaag
- Biocompatibel voor medische apparatuur en implantaten
- Kostenvoordeel ten opzichte van conventionele koperbewerking
Verschillende metalen 3D printprocessen maken meestal gebruik van koperpoeder:
Typen 3D printen met koperpoeder
| 3D printtechnologie | Beschrijving |
|---|---|
| Binder jetting | Lijmt koperpoeder met vloeibare bindmiddelen |
| Gerichte energiedepositie (DED) | Gebruikt laser- of elektronenbundel om koperpoeder te smelten |
| Selectief lasersmelten (SLM) | Selectief lasersmelten en smelten van koperpoederbed |
Met deze additieve productietechnieken kunnen complexe geometrieën worden gemaakt met koper die niet haalbaar zijn met gieten of machinaal bewerken. Onderdelen kunnen op aanvraag worden gemaakt zonder gereedschap of mallen.
Laten we nu dieper ingaan op koperkwaliteiten voor 3D printen, eigenschappen, toepassingen, specificaties, prijzen, vergelijkingen en meer.
Samenstelling van 3D afdrukken van koperpoeder
Er zijn een paar hoofdtypen kopermetaalpoeders die gebruikt worden bij additieve productie:
Samenstellingen van koperpoeder voor 3D-printen
| Poeder soort | Typische compositie |
|---|---|
| Zuiver Koper | 99,7% Cu minimaal |
| Koper-tin legering | Cu-10Sn bronslegering |
| Koper-nikkellegering | 90H-10Ni of 70H-30Ni |
Kenmerken van 3D-geprinte onderdelen van puur koper
- Uitstekende elektrische geleiding voor elektronica
- Kneedbaar materiaal dat nabewerking mogelijk maakt
- Gloeien kan de vervormbaarheid verder verbeteren
- Lage hardheid bij 100 HV na het printen
Pluspunten
- Hoogste thermische en elektrische geleidbaarheid
- Gemakkelijk te bewerken, platen, coaten na de bouw
- Biocompatibel voor medisch gebruik
- Lassen van ongelijksoortige metalen is vereenvoudigd
Nadelen
- Zachte texturen en kenmerken met lage sterkte
- Risico op delaminatie tussen lagen
- Oxidefilmvorming gevoelig voor vervuiling
Kenmerken van 3D-geprinte Cu-Sn bronzen onderdelen
- Betere mechanische eigenschappen met tinlegeringen
- Tot dubbele hardheid en sterkte
- Beweeg slijtvaste oppervlakteafwerking
- Hogere temperatuurbestendigheid
Pluspunten
- Sterkere onderdelen die bestand zijn tegen vervorming
- Geschikt voor het printen van fijne details en texturen
- Kleine hoeveelheden tin verbeteren de eigenschappen
- Goede corrosiebestendigheid
Nadelen
- Lagere thermische en elektrische geleidbaarheid
- Hogere dichtheid verhoogt gewicht
- Nog steeds steunen nodig tijdens het afdrukken
Kenmerken van 3D-geprinte Cu-Ni gelegeerde onderdelen
- Uitstekende combinatie van sterkte plus geleidbaarheid
- Behoudt hoge vervormbaarheid en thermische eigenschappen
- Voegt hardheid toe voor slijtagebescherming
- Soldeert goed met andere koperen componenten
Pluspunten
- Afstembare eigenschappen met balans tussen sterkte, hardheid en geleidbaarheid
- Sterke onderdelen die stress kunnen weerstaan
- Alleen 10% nikkel verdubbelt de vloeigrens
- Lager smeltpunt biedt voordelen bij printen op lagere temperaturen
Nadelen
- Niet biocompatibel voor medische apparatuur
- Nikkel kan galvanische corrosie initiëren
- Hogere materiaalkosten dan zuiver koper
Toepassingen van 3D-geprint koper
Dankzij de veelzijdige materiaaleigenschappen wordt 3D printen met koperpoeder gebruikt in verschillende industrieën:
Toepassingen van 3D-printkoperen poeder
| Industrie | Veel voorkomende toepassingen |
|---|---|
| Elektronica | Interconnects, contacten, klemmen, EMI-afscherming |
| Elektrisch | Busrails, rotorwikkelingen, elektromagneten |
| Warmtewisselaars | Koellichamen, verdampers, condensors |
| Automobiel | Lasdoppen, bussen, lagers |
| Architectuur | Decoratieve gevels, panelen, modellering |
| Medisch | Elektroden, GROENEN, implantaten, chirurgisch gereedschap |
Enkele specifieke productvoorbeelden zijn:
Elektronica: Geleidende sporen, draden, antennes, batterijen, sensoren
Automobiel: Lichtbehuizingen, snelkoppelingen, inzetstukken met schroefdraad
Lucht- en ruimtevaart: Beugels, koppelregelingsonderdelen, radiohardware
Consumptiegoederen: Knopen, sluitingen, ritsen, decoratieve onderdelen
Hardware: Tandwielen, sloten, veren, bevestigingsmiddelen zoals bouten en moeren
Door de eigenschappen van koper te gebruiken bij 3D-printen, ontstaan innovatieve geometrieën die onmogelijk zijn met subtractieve methoden en die de functionaliteit en efficiëntie kunnen verbeteren.
Specificaties van Koper Metaalpoeder voor 3D afdrukken
Fabrikanten van 3D-printers karakteriseren koperpoeder op basis van meetwaarden zoals:
Specificaties koperpoeder voor 3D afdrukken
| Parameter | Typisch specificatiebereik |
|---|---|
| Poedervorm | Overwegend bolvormig |
| Maatbereik | 15-45 micron |
| Min schijnbare dichtheid | 3,5 g/cm3 |
| Typische laagdikte | 20-100 micron |
| Stroomsnelheid | >=25 sec voor 50 g |
| Resterende zuurstof | Maximaal 0,3% |
Andere belangrijke poedermetingen:
- Tik op dichtheid: Na bezinking tussen 4-4,5 g/cm3
- Debiet van de hal: Tijd tot 50g poeder door de trechteropening stroomt
- Hausner verhouding: De tapdichtheid gedeeld door de schijnbare dichtheid geeft de vloeibaarheid aan
Smalle verdeling zorgt voor een dichte en gelijkmatige poederverdeling tijdens het printen. Laag zuurstofgehalte voorkomt overtollige oxiden die de laaghechting belemmeren.
Prijzen, leveranciers en vergelijkingen van kopermetaalpoeder
De kosten van koperpoeder fluctueren op basis van marktprijzen, samenstelling, hoeveelheid en locatie van de bron:
Vergelijking van de kosten van koperpoeder
| Type | Gemiddelde prijsklasse | Belangrijkste leveranciers |
|---|---|---|
| Zuiver koper | $50-80 per kg | AP&C, Sandvik Osprey, Carpenter Additief |
| Cu-10Sn brons | $55-90 per kg | ECKA Korrels, BASF Additive Mfg, LPW Technologie |
| CuNi10 legering | $65-105 per kg | Linde, Arconic onderdelen, Praxair |
Door zeer zuivere kwaliteiten te kopen van gecertificeerde metaalpoederfabrikanten ben je verzekerd van betrouwbare kwaliteit. Leveranciers in het buitenland bieden goedkopere opties, maar kunnen een gebrek aan consistentie hebben.
Houd bij het vergelijken van koperpoedermaterialen voor een printopdracht rekening met het volgende:
Voor- en nadelen van verschillende koperpoeders
| Type | Pluspunten | Nadelen |
|---|---|---|
| Zuiver koper | Hoogste thermische/elektrische prestaties<br>Laagste kosten | Zachte onderdelen die gevoelig zijn voor slijtage<br>Risico op delaminatie |
| Cu-bronslegering | Sterkere onderdelen<br>Betere resolutie voor fijne details | Zwaardere componenten<br>Lagere geleidbaarheid |
| Koper-nikkel | Uitgebalanceerde sterkte plus geleidbaarheid <br>Gecontroleerde wrijving/slijtage | Niet bio-compatibel<br>Moeilijker te bewerken |
SamengevatZuiver koper is geschikt voor elektronica en legt de nadruk op geleidbaarheid en vervormbaarheid tegen lage kosten, terwijl legeringen beter voldoen aan mechanische eisen met hogere sterkte en hardheid.
Afdrukparameters, drempelwaarden en aanbevelingen
Het instellen van optimale afdrukinstellingen is de sleutel tot succesvol gebruik van koperpoeder:
Instellingen afdrukprofiel voor koperpoeder
| Parameter | Typisch bereik | Aanbevelingen |
|---|---|---|
| Laagdikte | 20-100 micron | Dunnere lagen verbeteren de hechting tussen de lagen |
| Laservermogen (voor SLM) | 100-500 W | Hogere dichtheid en bevochtiging bij hoger vermogen |
| Scansnelheid | 100-500 mm/s | Hogere snelheden verminderen de warmte-inbreng en restspanning |
| Grootte van de straal | 20-100 micron | Laserdiameter dicht bij laagdikte |
| Ondersteunende structuren | Boomachtige | Voorkom kromtrekken en verwijder dit door nabewerking |
| Afschermingsgas | Argon of stikstof | Voorkom oxidatie tijdens het bouwen |
| Bouwplaatverwarming | 50-250°C | Koellichaam eenmaal aangebracht als koeling te snel gaat |
| Verlichting van stress | 1 tot 3 uur gloeien op 400 °C | Restspanningen verminderen om de integriteit van de laag te bevorderen |
| Heet isostatisch persen | 1000-10000 psi bij 500-950°C | Verhoog de dichtheid door holtes in te klappen |
| Oppervlakteafwerking | Tuimelen, machinaal bewerken, slijpen, polijsten enz. | Oppervlakteruwheid gladmaken |
Het monitoren van de smeltbadgrootte en -temperaturen helpt bij het real-time kalibreren van laserparameters. Stem de energie-input af op het printgebied om een goede samensmelting te bereiken zonder overmatige verhitting.
Voor onderdelen van hoge kwaliteitThermisch beheer is essentieel, evenals het verminderen van restspanningen door middel van strategische verwarmings-/koelcycli tijdens het printen en warmtebehandelingen na de bouw. Gebruikmaken van standaard metaalbewerkings-/verspaningsmethoden voor het afwerken van geprinte koperen onderdelen.
Industriële standaarden voor 3D printen met metaalpoeders
Normenorganisaties voor metaal additief produceren
| Organisatie | Relevante Metal AM-standaarden |
|---|---|
| ASTM International | F3049, F2971, F3184, F3301 enz. voor vervormbare legeringen, procesvereisten, kwaliteiten |
| Internationale Organisatie voor Standaardisatie (ISO) | ISO/ASTM 52915, 52921 voor ontwerp, processen, testen |
| SAE Internationaal | AMS7001A Ruimtevaart materiaal- en processpecificaties |
| Amerikaanse vereniging van werktuigbouwkundigen (ASME) | BPVC Sectie IX Lasvoorschriften |
| Nationaal instituut voor standaarden en technologie (NIST) | Referentie koperpoedergegevens en meetwetenschap |
| Internationale Elektrotechnische Commissie (IEC) | IEC 62890 benchmarking van fusieprocesprestaties van metaalpoederbed |
Deze delen best practices en kwantificeren herhaalbare prestatiecriteria om onderdelen te kwalificeren voor eindgebruik.
Voor onderdelen voor lucht- en ruimtevaartEr moet ook worden voldaan aan aanvullende CAA- en FAA-normen. Automobiel onderdelen verwijzen ook naar UL, A2LA, NADCAP specificaties.
In toepassingen voor medische apparatuurVoldoen aan de FDA- en CE-voorschriften is verplicht voordat het product op de markt wordt gebracht om biocompatibiliteit en patiëntveiligheid te garanderen.
Over het algemeen synchroniseren standaarden de technologische ontwikkeling in de hele metaaladditive manufacturing industrie.
Veelgestelde vragen
V: Hoe kies ik de juiste koperlegering voor mijn toepassing?
A: Bij de meeste producten ligt de nadruk op sterkte, hardheid en slijtvastheid of thermische/elektrische geleidbaarheid. Door de legeringselementen zoals tin of nikkel daarop af te stemmen, kunnen de eigenschappen op maat worden geoptimaliseerd.
V: Moet koperpoeder tijdens het printen worden afgeschermd met inert gas?
A: Ja, het verhitten van koperpoeder tot hoge temperaturen veroorzaakt oppervlakteoxidatie waarbij legeringselementen verloren gaan. Afscherming met argon of stikstof voorkomt overmatig materiaalverlies.
V: Wat veroorzaakt barsten tussen lagen bij het 3d printen van koper?
Antwoord: Verschillende koelsnelheden plus krimp van de legering kunnen spanningen introduceren die leiden tot scheurtjes tussen de lagen. Betere thermische controles tijdens het bouwen en spanningsverminderende warmtebehandelingen na het proces verminderen deze defecten.
V: Waarom heeft mijn 3d geprinte koperen onderdeel een slechte oppervlakteafwerking en textuur?
A: Onvoldoende smelten van poederdeeltjes door laag laservermogen veroorzaakt poreuze ongelijkmatige texturen die uitgebreide nabewerking vereisen. Drukkalibratie, voldoende laagoverlap en een hogere energiedichtheid verbeteren de oppervlaktekwaliteit.
V: Is direct metaal printen met koperpoeder erg duur?
A: Ja, zowel de systeemkosten van de printer die meer dan $100.000 bedragen plus de recursieve metaalpoederaankopen maken het onbetaalbaar voor kleine producties. De kosten per onderdeel dalen echter aanzienlijk bij grote producties omdat er geen gereedschap nodig is.
