Polvo de cobre para impresión 3D

Visión general de Polvo de cobre para impresión 3D

El polvo de cobre para impresión 3D es un polvo metálico de cobre puro o aleaciones de cobre que se utiliza como materia prima en diversas tecnologías de impresión 3D para fabricar piezas y productos de cobre de uso final.

Algunas de las principales propiedades y ventajas de utilizar la impresión 3D con polvo de cobre son:

• Alta conductividad eléctrica y térmica deseada para aplicaciones electrónicas
• Índices de maquinabilidad muy elevados para un buen acabado y postprocesado
• Excelentes propiedades mecánicas como resistencia y ductilidad
• Resistencia a la corrosión gracias a la formación de una capa protectora de óxido de cobre
• Biocompatible para dispositivos médicos e implantes
• Ventaja de costes en comparación con el mecanizado convencional del cobre

Varios procesos de impresión 3D de metal utilizan polvo de cobre, por lo general:

Tipos de impresión 3D con polvo de cobre

Tecnología de impresión 3D	Descripción
Chorro aglomerante	Pega el polvo de cobre con aglutinantes líquidos
Deposición de energía dirigida (DED)	Utiliza láser o haz de electrones para fundir polvo de cobre
Fusión selectiva por láser (SLM)	El láser funde y fusiona selectivamente el lecho de polvo de cobre

Estas técnicas de fabricación aditiva permiten crear geometrías complejas con cobre inviables mediante fundición o mecanizado. Las piezas pueden fabricarse bajo demanda sin herramientas ni moldes.

Ahora vamos a profundizar en los grados de cobre para impresión 3D, propiedades, aplicaciones, especificaciones, precios, comparaciones y mucho más.

Composición de Polvo de cobre para impresión 3D

Existen varios tipos principales de polvos metálicos de cobre utilizados en la fabricación aditiva:

Composiciones del polvo de cobre para impresión 3D

Tipo de polvo	Composición típica
Cobre puro	99,7% Cu mínimo
Aleación de cobre y estaño	Aleación de bronce Cu-10Sn
Aleación de cobre y níquel	90Cu-10Ni o 70Cu-30Ni

Características de las piezas de cobre puro impresas en 3D

• Excelente conductividad eléctrica para la electrónica
• Material dúctil que permite el tratamiento posterior
• El recocido puede aumentar aún más la ductilidad
• Baja dureza a 100 HV tras la impresión

Pros

• Máxima conductividad térmica y eléctrica
• Fácil de mecanizar, chapar y revestir después de la construcción
• Biocompatible para usos médicos
• La soldadura de metales distintos se simplifica

Contras

• Texturas y rasgos suaves de baja resistencia
• Riesgo de delaminación entre capas
• Formación de película de óxido propensa a la contaminación

Características de las piezas de bronce Cu-Sn impresas en 3D

• Mejores propiedades mecánicas con la aleación de estaño
• Hasta el doble de dureza y resistencia
• Mover el acabado superficial resistente al desgaste
• Mayor resistencia a la temperatura

Pros

• Piezas más fuertes para resistir la deformación
• Permite imprimir detalles y texturas finas
• Pequeñas cantidades de estaño mejoran las propiedades
• Buena resistencia a la corrosión

Contras

• Menor conductividad térmica y eléctrica
• Una mayor densidad aumenta el peso
• Sigue necesitando soportes durante la impresión

Características de las piezas de aleación Cu-Ni impresas en 3D

• Excelente combinación de resistencia y conductividad
• Mantiene una alta ductilidad y propiedades térmicas
• Añade dureza para proteger contra el desgaste
• Se suelda bien con otros componentes de cobre

Pros

• Propiedades ajustables que equilibran resistencia, dureza y conductividad
• Piezas resistentes capaces de soportar tensiones
• Sólo el níquel 10% duplica el límite elástico
• Un punto de fusión más bajo favorece la impresión a baja temperatura

Contras

• No biocompatible para productos sanitarios
• El níquel puede iniciar la corrosión galvánica
• Costes de material más elevados que el cobre puro

Aplicaciones del cobre impreso en 3D

Gracias a las propiedades versátiles de este material, la impresión 3D con polvo de cobre se utiliza en todos los sectores:

Aplicaciones de la impresión 3D de polvo de cobre

Industria	Aplicaciones comunes
Electrónica	Interconexiones, contactos, terminales, blindaje EMI
Eléctrico	Barras conductoras, bobinados de rotor, electroimanes
Intercambiadores de calor	Disipadores de calor, evaporadores, condensadores
Automoción	Puntas de soldadura, casquillos, cojinetes
Arquitectura	Fachadas decorativas, paneles, modelado
Médico	Electrodos, GREENs, implantes, herramientas quirúrgicas

Algunos ejemplos concretos de productos son:

Electrónica: Trazas conductoras, cables, antenas, baterías, sensores

Automóvil: Cajas de luz, racores rápidos, insertos roscados

Aeroespacial: Soportes, componentes de control de par, hardware de radio

Bienes de consumo: Botones, cierres, cremalleras, piezas decorativas

Hardware: Engranajes, cierres, muelles, elementos de fijación como tuercas y tornillos

Aprovechar las propiedades del cobre en la impresión 3D permite crear geometrías innovadoras imposibles con métodos sustractivos que pueden mejorar la funcionalidad y la eficiencia.

Especificaciones del polvo metálico de cobre para impresión 3D

Los fabricantes de impresoras 3D caracterizan el polvo de cobre en función de parámetros como:

Especificaciones del polvo de cobre para impresión 3D

Parámetro	Gama de especificaciones típicas
Forma de polvo	Predominantemente esférico
Tamaños	15-45 micras
Densidad aparente mínima	3,5 g/cm3
Espesor típico de la capa	20-100 micras
Caudal	>=25 seg para 50 g
Oxígeno residual	0,3% máx.

Otras medidas importantes del polvo:

• Densidad del grifo: Tras la sedimentación oscila entre 4-4,5 g/cm3
• Caudal Hall: Tiempo necesario para que 50 g de polvo pasen por la abertura del embudo
• Ratio de Hausner: La densidad del grifo dividida por la densidad aparente indica la fluidez

La distribución estrecha garantiza un esparcimiento denso y uniforme del polvo durante la impresión. El bajo nivel de oxígeno evita el exceso de óxidos que impiden la unión de las capas.

Precios, proveedores y comparaciones del polvo metálico de cobre

Los costes del polvo de cobre fluctúan en función de los precios del mercado, la composición, la cantidad y la ubicación de la fuente:

Comparación de costes del cobre en polvo

Tipo	Precio medio	Proveedores clave
Cobre puro	$50-80 por kg	AP&C, Sandvik Osprey, Carpenter Additive
Bronce Cu-10Sn	$55-90 por kg	ECKA Granules, BASF Additive Mfg, LPW Technology
Aleación CuNi10	$65-105 por kg	Linde, Arconic Components, Praxair

Comprar grados de alta pureza a fabricantes de polvo metálico certificados garantiza una calidad fiable. Los proveedores extranjeros ofrecen opciones más baratas, pero pueden carecer de consistencia.

Cuando compare materiales de polvo de cobre para un trabajo de impresión, tenga en cuenta:

Ventajas e inconvenientes de los distintos polvos de cobre

Tipo	Pros	Contras
Cobre puro	Máximo rendimiento térmico/eléctrico<br>Menor coste	Piezas blandas propensas al desgaste<br>Riesgo de delaminación
Aleación de bronce y cobre	Componentes más resistentes<br>Mejor resolución de los detalles finos	Componentes más pesados<br>Menor conductividad
Cobre-níquel	Resistencia equilibrada más conductividad <br>Fricción/desgaste controlados	No biocompatible<br>Más difícil de mecanizar

En resumenEl cobre puro se adapta a las necesidades de la electrónica, haciendo hincapié en la conductividad y la ductilidad a bajo coste, mientras que las aleaciones satisfacen mejor los requisitos mecánicos con mayor resistencia y dureza.

Parámetros de impresión, umbrales y recomendaciones

La clave para utilizar con éxito el polvo de cobre es conseguir unos ajustes de impresión óptimos:

Ajustes del perfil de impresión para polvo de cobre

Parámetro	Alcance típico	Recomendaciones
Grosor de la capa	20-100 micras	Las capas más finas mejoran la unión entre capas
Potencia del láser (para SLM)	100-500 W	Mayor densidad y humectación a mayor potencia
Velocidad de exploración	100-500 mm/s	Las velocidades más rápidas reducen la entrada de calor y la tensión residual
Tamaño del haz	20-100 micras	Diámetro del láser próximo al grosor de la capa
Estructuras de apoyo	Árbol	Evite el alabeo y elimínelo con el postprocesado
Gas de protección	argón o nitrógeno	Evitar la oxidación durante la construcción
Calentamiento de la placa	50-250°C	Disipador térmico una vez depositado si el enfriamiento es demasiado rápido
Alivio del estrés	Recocido 1-3 h a 400°C	Reducir las tensiones residuales fomentando la integridad de la capa
Prensado isostático en caliente	1000-10000 psi a 500-950°C	Aumentar la densidad colapsando los vacíos
Acabado de superficies	Volteo, mecanizado, esmerilado, pulido, etc.	Suavizar la rugosidad de la superficie

La supervisión del tamaño y las temperaturas del baño de fusión ayuda a calibrar en tiempo real los parámetros del láser. Adapte la entrada de energía al área de impresión para lograr una buena fusión sin exceso de calentamiento.

Para piezas de alta calidadLa gestión térmica es clave, junto con la mitigación de la tensión residual mediante ciclos estratégicos de calentamiento/enfriamiento durante la impresión, así como tratamientos térmicos posteriores a la fabricación. Aproveche los métodos estándar de metalistería/mecanizado para el acabado de los componentes impresos en cobre.

Normas industriales para la impresión 3D con polvos metálicos

Organismos de normalización para la fabricación aditiva de metales

Organización	Normas pertinentes de Metal AM
ASTM Internacional	F3049, F2971, F3184, F3301, etc., para aleaciones sensibles, requisitos de proceso, calidades
Organización Internacional de Normalización (ISO)	ISO/ASTM 52915, 52921 que cubren el diseño, los procesos, los ensayos
SAE Internacional	AMS7001A Especificaciones de materiales y procesos aeroespaciales
Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos (ASME)	BPVC Sección IX Códigos de soldadura
Instituto Nacional de Normas y Tecnología (NIST)	Datos y ciencia de la medición del polvo de cobre de referencia
Comisión Electrotécnica Internacional (CEI)	Evaluación comparativa IEC 62890 del rendimiento del proceso de fusión de lechos de polvo metálico

En ellos se comparten las mejores prácticas y se cuantifican criterios de rendimiento repetibles para cualificar las piezas para su uso final.

Para componentes aeroespaciales y de aviaciónAdemás, es necesario cumplir otras normas de la CAA y la FAA. Automoción Las piezas también hacen referencia a las especificaciones UL, A2LA y NADCAP.

En aplicaciones de productos sanitariosEl cumplimiento de la normativa de la FDA y la CE es obligatorio antes de la comercialización para garantizar la biocompatibilidad y la seguridad del paciente.

En general, las normas sincronizan el desarrollo tecnológico en todo el sector de la fabricación aditiva de metales.

Preguntas frecuentes

P: ¿Cómo elegir la aleación de cobre adecuada para mi aplicación?

R: La mayoría de los productos se centran en la resistencia, la dureza y el desgaste o en la conductividad térmica/eléctrica. El ajuste de los elementos de aleación, como el estaño o el níquel, permite optimizar las propiedades a medida.

P: ¿Necesita el polvo de cobre una protección de gas inerte al imprimir?

R: Sí, el calentamiento del polvo de cobre a altas temperaturas provoca una oxidación superficial que hace perder elementos de aleación. El blindaje con argón o nitrógeno evita la pérdida excesiva de material.

P: ¿Qué causa las grietas entre capas al imprimir cobre en 3D?

R: Las velocidades de enfriamiento diferenciales y la contracción de la aleación pueden introducir tensiones que provoquen grietas entre las capas. La mejora de los controles térmicos durante la fabricación y los tratamientos térmicos de alivio de tensiones posteriores al proceso reducen estos defectos.

P: ¿Por qué mi pieza de cobre impresa en 3D tiene un acabado superficial y una textura deficientes?

R: Una fusión insuficiente de las partículas de polvo debido a la baja potencia del láser provoca texturas porosas desiguales que requieren un mecanizado de acabado exhaustivo. La calibración de la impresión, un solapamiento adecuado de las capas y una mayor densidad de energía mejoran la calidad de la superficie.

P: ¿Es muy cara la impresión directa sobre metal con polvo de cobre?

R: Sí, tanto los costes del sistema de impresión, que superan los $100.000, como las compras recurrentes de polvo metálico hacen que resulte prohibitivo para pequeñas producciones. Sin embargo, el coste por pieza se reduce significativamente para series de producción de volumen debido a la ausencia de requisitos de utillaje.

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