铜这种具有高导热和高导电以及高延展性的金属，同时还有抗腐蚀，甚至杀死细菌和病毒等能力，在航空航天、武器装备等某些应用场合甚至是必选材料。随着众多领域中复杂铜部件需求的增长，以3D打印技术制备铜的需求自然也开始走上前台。可大多数人不知道的是，直到2018年之前，铜都是令3D打印行业最头痛的难题之一！
一、纯铜打印发展
2018年11月13日，法兰克福国际精密成型及3D打印制造展览会（Formnext）上，TRUMPF工业集团展台上的3D打印的纯铜组件引起围观和轰动，这是业内首次正式场合公开实现纯铜3D打印。
一般来说铝、钢、钛及其他合金，使用普通的SLM（激光选区激光熔化）3D打印机就可以处理，这是因为SLM的光束源大多采取波长约1μm的红外激光，而纯铜对红外激光的反射率超过90%，激光照射在铜表面会发生偏转，所以能量几乎无法进入材料内部使之受热熔化，这正是铜3D打印之所以令人头痛的原因。为此，TRUMPF采用了更易被铜和金吸收的波长为515nm的绿色激光为3D打印能源，开发出了一种新的绿色激光选区激光熔化系统（绿色SLM），不仅降低了对激光能量的需求，同时也提供了聚焦精度。
在TRUMPF之后，包括GE（通用电气）在内的众多领先企业和研究机构通过调整打印系统硬件、铜材特性以及开发替代SLM技术等方式，继续探索其他具备可行性的铜增材制造技术。其中，粉末挤出打印路线虽然出现较晚，但是避开了纯铜打印过程中的高导热率、高反射率的问题，目前已成为包括纯铜在内众多打印材料的首选方案！
二、升华三维纯铜3D打印案例与粉末挤出打印技术PEP
深圳升华三维科技有限公司专注于金属/陶瓷间接3D打印装备及材料研发生产，提供从金属/陶瓷3D打印机、多材料打印，后处理设备到打印服务的高性能间接3D打印整体解决方案。纯铜打印正是升华三维的拿手好戏之一。
间接金属3D打印
2016年4月，升华三维首次推出了一种将“3D打印+粉末冶金”相结合的金属/陶瓷间接3D打印技术--粉末挤出打印技术(Powder Extrusion printing，PEP)。区别于利用高强能量束烧结或熔化金属等材料，同步获得产品形状和性能的直接3D打印技术，粉末挤出打印技术(PEP)是分步获得产品的形状与性能。
升华三维纯铜3D打印案例
PEP技术创新性地通过3D打印实现对材料的控制和成形，满足金属/陶瓷零件的个性化定制，同时也突破了传统激光3D打印运营成本高、点线成形算法复杂打印效率低和性能不稳定的限制，成为金属零件批量打印的重点技术。其优势包括：
1、适用性强——利用粉末注射成形技术在材料开发和脱脂烧结阶段成熟稳定的技术体系，使产品性能—致性好。
2、打印材料体系丰富——从不锈钢、钨合金、高温合金、难熔金属、硬质合金等金属材料，到氧化锆、氧化铝、碳化硅、氮化硅、羟基磷灰石生物陶瓷等陶瓷材料，具有类同于PIM工艺所用的潜在材料清单为3D打印大规模进入应用市场创造有利的客观条件；
3、性价比高——与直接3D打印技术相比，打印设备、打印材料及打印成本更低，成形精度高，有利于3D打印在工业制造应用的推广和普及。
4、绿色环保——打印材料可循环利用，有效利用率高。
PEP 打印技术在成形复杂结构方面具有天然优势，让复杂结构的随形冷却流道变得可能。升华三维通过提供完善的冷却流道解决方案，将助力纯铜零部件的性能提升到最优。在此方案中，纯铜3D打印冷却流道的优势在于可以为产品设计带来更高的自由度，使设计师可以尝试具有更高热传导能力的先进结构，创建高度集成、复杂、更贴合零部件表面的随形冷却通道，打印出结构紧凑、流体通道复杂、重量更轻，尺寸更小、效率更高的产品零部件，实现高性能纯铜组件制造的新可能，而这也正是航空航天和国防建设中所需要的。
三、PEP技术核心基础
很多事说起来容易，做起来却难。PEP打印系统包括了打印设备、打印原材料、软件与控制系统、打印工艺、前后处理、质量检测在内全产业链的方方面面，任何环节掉链子，都会导致“木桶”效应，其中最重要的就是打印设备和材料。
1、3D打印设备
面对即将爆发的制造变革和3D打印市场，升华三维基于PEP技术，已推出工业型独立双喷嘴3D打印机UPS-250及大尺寸独立双喷嘴3D打印机UPS-556两款核心打印设备。均采用独立双喷嘴设计，可以同时打印或者各自轮流打印金属和陶瓷不同种类材料的复合产品开发，实现复杂结构和产品的成形，具有操作简单、工业型、高精度、高质量、高性价比等优点，适用于科研教育、工业制造、航天航空、军事国防、生物医疗、汽车、模具制造、新能源等领域的3D打印技术开发、材料开发和金属/陶瓷产品快速开发制造。
2、原料定制
打印原料的开发需要粘合剂与不同粉末完美结合，以对应在注塑工艺、生坯强度和粘合剂去除方面的不同需求，该材料体系总体要求达到低加工温度，较低粘度以及绿色脱脂等。
回到文章开头的纯铜打印案例，纯铜颗粒料UPGM-CU是升华三维为了适配于纯铜3D打印而开发出来的打印材料，能满足不同铜零件打印需求。产品性能数据如下所示：
1、生胚密度（g/cm3）：＞5.1
2、打印温度（℃）：160-200
3、收缩系数：1.170-1.175
4、材料形状：颗粒料
5、烧结密度（g/cm3）：＞8.75
6、相对密度（%）：＞97
随着升华三维材料配方、设备性能、打印及烧结工艺的进一步改善，纯铜颗粒料UPGM-CU的产品性能还有更进一步的提升空间。还开发出了适配于升华三维3D打印机的材料：不锈钢、钨及钨合金、钛及钛合金、高温合金、硬质合金难熔金属等金属材料，及氧化锆、氧化铝、氮化硅、碳化硅等特种陶瓷材料，以满足客户的不同需求。在不断拓展打印材料种类，优化材料配方的同时，深挖具体应用场景，为不同行业赋能。
总结
PEP技术节省了模具开发的制造和时间成本；拓展了高难度、高复杂性零件的加工能力，例如实现纯铜随形冷却流道的设计制造，复杂结构碳化硅陶瓷的大尺寸、轻量化、一体化制备等；下一步升华三维3D打印设备仍将继续以用户需求及行业应用为导向，为“构建3D打印的智造世界”做出更多探索和实践。
