additive manufacturing koper toont een toenemend gebruik in additive manufacturing methodes, waardoor zeer geleidende onderdelen met bruikbare mechanische prestaties gemaakt kunnen worden. Als een van de weinige metaalopties voor poederbedfusie, bindmiddelstralen en gerichte energiedepositieprocessen, belooft inzicht in de belangrijkste poedereigenschappen groei in toepassingen.
Overzicht van additieve vervaardiging koper
Additieve productie met koperen beloften:
- Elektrisch en thermisch geleidingsvermogen dat andere metalen overtreft
- Dichtheid vergelijkbaar met gewone technische legeringen
- Verbeterde vervormbaarheid ten opzichte van materialen zoals staal of nikkel
- Diverse legeringskeuzes om eigenschappen af te stemmen
- Antimicrobieel gedrag voor hygiënisch gebruik
- Recyclebaarheid ondersteunt duurzaamheidsdoelen
Onderdelen met fijne details, complexe geometrieën en lichtgewicht conforme kanalen kunnen worden gemaakt met eigenschappen die zijn afgestemd op thermische, elektrische of mechanische spanningen door een optimale selectie van legeringen en processen.
Potentiële toepassingen omvatten elektronicakoeling, radiofrequentiecomponenten, gietmallen met conforme koeling en implantaten op maat. Naarmate additieve platforms hun productievolumes in kopermaterialen opschalen, zal het gebruik in sectoren toenemen.
Soorten koperpoeder
Er zijn verschillende soorten poedergrondstoffen beschikbaar op basis van productiemethode, eigenschappen en legeringsfamilie:
| Type | Beschrijving | Deeltjesgrootte | Morfologie | Schijnbare dichtheid |
|---|---|---|---|---|
| Gas verneveld | Inert gas verneveld elementair koper | 20-63 μm | Afgerond, bolvormig | 3-4 g/cc |
| Water verneveld | Water gebroken koperdeeltjes | 45-150 µm | Onregelmatig, poreus | ∼2 g/cc |
| Elektrolytisch | Koperpoeder van elektrolytisch proces | 5-200 μm | Vlokkerig, sponsachtig | 1-3 g/cc |
| Poeders voor legeringen | Voorgelegeerd gasgeatomiseerd CuCr1Zr, CuCo2Be enz. | 20-45 μm | Bijna sferisch | 3-4 g/cc |
Gasvernevelde en gelegeerde poeders hebben vloei- en vormeigenschappen die geschikt zijn voor AM.
additieve vervaardiging koper Samenstelling
Diverse kopermateriaalopties voor additief:
| Materiaal | Legering Toevoegingen | Kenmerken |
|---|---|---|
| Zuiver koper | – | Hoge geleidbaarheid, zacht |
| Messing | 15-45% Zn | Sterkere, bewerkbare legering |
| Bronzen | 5-12% Sn, | Verbeterde sterkte met sommige loodbronzen |
| Koper-nikkel | 10-30% Ni | Gecontroleerde uitzetting, goede corrosieprestaties |
Sporenelementen zoals Pb, Fe, Sb helpen de eigenschappen en verwerkbaarheid te wijzigen. Specifieke samenstellingen worden afgestemd op de gewenste elektrische, thermische en mechanische prestaties.
Eigenschappen van koper voor additieve productie
Nieuwe koper AM-mogelijkheden bouwen voort op nuttige fysieke en functionele eigenschappen:
Fysieke eigenschappen
| Eigendom | Zuiver Koper | Waarde | Eenheid |
|---|---|---|---|
| Dikte | – | 8.9 | g/cm3 |
| Smeltpunt | – | 1085 | °C |
| Warmtegeleiding | – | 385 | W/m-K |
| Elektrische weerstand | – | 1,72 x 10-6 | ohm-cm |
| CTE | – | ∼17 | μm/m-K |
De dichtheid ligt tussen aluminium en zacht staal, terwijl de uitzonderlijke geleidbaarheid alternatieve metalen overtreft.
Mechanische eigenschappen
Variërend met legeringstoevoegingen na warmtebehandeling:
| Eigendom | Opbrengststerkte | Treksterkte | Verlenging | Hardheid |
|---|---|---|---|---|
| Zuiver koper | ∼215 MPa | ∼280 MPa | ∼35% | ∼60 HB |
| Messing | ∼450 MPa | ∼650 MPa | ∼35% | ∼150 HB |
| Bronzen | ∼275 MPa | ∼480 MPa | ∼15% | ∼120 HB |
| Koper-nikkel | ∼550 MPa | ∼750 MPa | ∼30% | ∼180 HB |
Functionele kenmerken
| Parameter | Beoordeling | Eenheden |
|---|---|---|
| Elektrische geleiding | Uitstekend | %IACS |
| Warmtegeleiding | Uitstekend | W/m-K |
| Corrosieweerstand | Gematigd | – |
| Biofunctionaliteit | Antimicrobiële werkzaamheid | – |
| Thermische vermoeidheidsweerstand | Goed | Cycli |
| Dempingseigenschappen | Erg goed | – |
Deze eigenschappen helpen bij het richten van elektrische contacten, loodframes, warmtewisselaars enz. door gebruik te maken van de lichtvoetigheid van AM.
Productie van additieve vervaardiging koper
Commerciële opstelling voor de productie van grondstofpoeder:
1. Smelten - Zuivere koperen kathode wordt inductief gesmolten in een gecontroleerde atmosfeer
2. Verstuiving - Inert gas onder hoge druk breekt gesmolten stroom op in fijne druppeltjes
3. Koelen en verzamelen van poeder - Vormgeven en stollen van poederdeeltjes
4. Zeven - Classificatie in meerdere stappen levert toepassingsspecifieke fracties op
5. Verpakking - Verzegelde containers met inert gas voor stabiele opslag
Speciale legeringen ondergaan een vacuüm inductiesmeltproces voor ze worden geatomiseerd. Recycling van schroot levert ook geschikt poeder op.
additieve vervaardiging koper Toepassingen
Opkomende toepassingsgebieden die profiteren van de mogelijkheden van koper-AM:
Elektronica
Uitstekende thermische geleiding helpt warmte te verwijderen uit pakketten terwijl uitzettingsproblemen tot een minimum worden beperkt. Functies zoals aanpasbare geprinte koellichamen of schilden worden haalbaar.
Elektrische onderdelen
Lage weerstand maakt lichtgewicht inductoren, stroomrails en RF-afscherming mogelijk, vervaardigd door middel van additieve productie.
Slijtageonderdelen
Verbeteringen van de oppervlakteruwheid door AM ondersteunen de slijtvastheid in toepassingen zoals lagers, bussen enz.
Automobiel
De combinatie van sterkte en geleidbaarheid komt ten goede aan de geometrie van dunwandige warmtewisselaars die nodig zijn voor het thermisch beheer van accu's van elektrische voertuigen.
Lucht- en ruimtevaart
De kennis die we hebben opgedaan bij het omhullen van de kamers van raketmotoren wordt ook gebruikt bij warmteafvoersystemen in vliegtuigen, zoals dampkamers.
Biomedisch
Antimicrobieel gedrag stimuleert op maat gemaakte implantaten en protheses die zijn afgestemd op biologische interfaces.
additieve vervaardiging koper Specificaties
Belangrijkste poederkenmerken en metriek rond koper voor AM:
Cijfers
Volgens MPIF standaard 115 voor additieve productiepoeders:
| Type | Maatbereik | Deeltjesvorm | Schijnbare dichtheid | Stroomsnelheid |
|---|---|---|---|---|
| Ultrafijn | 15-25 µm | Afgerond | ≥ 2,5 g/cc | Eerlijk |
| Zeer fijn | 25-45 μm | Afgerond | ≥ 3 g/cc | Goed |
| Prima | 45-75 μm | Afgerond | ≥ 3,5 g/cc | Goed |
| Relatief grof | 75-100 μm | Afgerond | ≥ 4 g/cc | Erg goed |
Kleinere deeltjes bieden een betere resolutie en afwerking van het oppervlak, terwijl grotere deeltjes zorgen voor een lagere opbouwsnelheid.
Normen van koper voor additieve productie
De belangrijkste protocollen voor poedertesten zijn
- MPIF 115 - Additive Manufacturing voor Powder Metallurgy constructiedelen
- ASTM B243 - Standaard testmethode voor poedermetallurgie poeders en compacts van koper en koperlegeringen
- ISO 4490 - Bepaling van de korrelgrootteverdeling van metaalpoeders door laserdiffractie
- BSI PAS 139 - Specificatie voor Additief Geproduceerde Onderdelen van Metalen
Deze helpen bij het benchmarken van de grondstofkwaliteit voor optimale reproduceerbaarheid en betrouwbaarheid van geprinte onderdelen.
additieve vervaardiging koper Prijzen
Representatieve prijzen, 2023:
| Type | Prijs |
|---|---|
| Verstoven gas | $12-18 per kg |
| Water Verstoven | $8-12 per kg |
| Speciale legering | $30-50 per kg |
Een hogere dichtheidsverdeling, kleinere en uniforme deeltjes geven de voorkeur boven onregelmatige morfologieën en grove deeltjes.
Voor- en nadelen
Voordelen
- Zeer hoge elektrische en thermische geleidbaarheid
- Nuttige combinatie van sterkte en vervormbaarheid
- Antimicrobiële oppervlaktekenmerken
- Uitstekende biofunctionaliteit en biocompatibiliteit
- Dimensionale stabiliteit bij bedrijfstemperaturen
- Snellere warmteoverdracht van dunne secties
- Geschikt voor contact met voedingsmiddelen, vloeistoffen en gassen
Nadelen
- Inferieur vermogen bij hoge temperaturen dan ijzerhoudende legeringen
- Lagere hardheid dan ijzer-, kobalt- of nikkellegeringen
- Zwaar vergeleken met lichtgewicht metalen zoals aluminium, magnesium
- Hogere materiaalkosten dan stalen tegenhangers
- Gevoelig voor waterstofbrosheid onder bepaalde omstandigheden
Inzicht in unieke sterke punten en beperkingen belooft optimale toepassing in industrieën waar koper waarde ontsluit.
additieve vervaardiging koper Leveranciers
Toonaangevende wereldwijde bronnen die koperpoeder aanbieden voor additieve productie:
| Bedrijf | Hoofdkantoor |
|---|---|
| Sandvik Visarend | Groot-Brittannië |
| Metaalpoeders maken | Groot-Brittannië |
| Hogenäs | Zweden |
| ECKA-korrels | Duitsland |
| Kymera België | VS |
| Shanghai CNPC | China |
Deze gevestigde metaalpoederproducenten voldoen nu met aangepaste kwaliteiten aan de groeiende vraag naar koper vanuit de industriële 3D-printmarkten. Verwerkingsdiensten op maat vergroten de schaalbaarheid van de capaciteit voor koper AM-poedergrondstoffen.
Veelgestelde vragen
| Vraag | Antwoord |
|---|---|
| Wat wordt bedoeld met additive manufacturing koper? | Opbouwen van componenten uit metallisch koperpoeder als onderdeel van gelaagde poederbedfusie of gerichte energiedepositie |
| Welke verschillende soorten koperpoeder zijn er beschikbaar voor AM? | Gasgeatomiseerd, watergeatomiseerd en elektrolytisch samen met voorgelegeerd messing, bronspoeders |
| Waarom kopermateriaal kiezen voor additieve productie? | Uitstekende elektrische en thermische geleidbaarheid benutten met behoud van bruikbare sterkte |
| Welke korrelgrootte koperpoeder is optimaal voor laser AM-processen? | Typisch de zeer fijne soort met een grootte van 25 tot 45 micron |
| Welke nabewerkingsstappen zijn nodig op as-geprinte koperen onderdelen? | Heet isostatisch persen helpt dichtheid ∼100% te bereiken, gevolgd door warmtebehandeling voor optimale microstructuur |
| Bestrijken de UNS-normen koperkwaliteiten voor additieve productie? | Ja, UNS C10100 voor zuiver koper en andere zoals UNS C87850 voor CuCr1Zr-legering. |
| Hoe verbeter je de oppervlakteafwerking van additief vervaardigde koperen onderdelen? | Combinatie van fijne poederformaten, geoptimaliseerde laagdiktes, nabewerking en galvaniseren |
| Zijn er speciale veiligheidsmaatregelen bij het werken met koperpoeder? | Ja, geschikte persoonlijke beschermingsmiddelen aanbevolen samen met maatregelen om fijn poeder in de lucht te vermijden |
Samenvatting
Additive manufacturing vergroot de productieflexibiliteit voor koperonderdelen aanzienlijk, maakt nieuwe geometrieën mogelijk en maakt lichtgewicht multifunctionele assemblages mogelijk op het gebied van elektronica, elektriciteit en thermisch beheer. Naarmate de poederkwaliteit toeneemt en er betrouwbare mechanische prestaties worden geleverd die vergelijkbaar zijn met conventionele productiemethoden, zullen grotere bedrijfskritische onderdelen op commerciële schaal gebruik gaan maken van AM.
Nieuwe legeringvarianten geëxtrapoleerd uit veelbelovende CuCrZr en CuCo mogelijkheden wijzen op ongekende combinaties van eigenschappen voor ruimtevaarttoepassingen. Ondertussen maken hoogwaardige sectoren zoals de medische sector gebruik van de biofunctionaliteit voor aangepaste warmtewisselaars en implantaten via AM-constructie. Alomtegenwoordig koper betreedt zo nieuw terrein op de rug van poederbedfusie en de veelzijdigheid van gerichte energiedepositie als nutsbedrijven gebruik maken van vormcomplexiteiten met nuttige geleidbaarheid.
