Fabricación aditiva Cobre
Índice
El cobre de fabricación aditiva demuestra un uso creciente en todos los métodos de fabricación aditiva, permitiendo la fabricación de piezas altamente conductoras con un rendimiento mecánico útil. Como una de las pocas opciones de metal en los procesos de fusión de lecho de polvo, inyección de aglutinante y deposición de energía dirigida, la comprensión de los atributos clave del polvo promete un crecimiento de las aplicaciones.
Visión general de fabricación aditiva cobre
Fabricación aditiva con promesas de cobre:
- Conductividad eléctrica y térmica superior a la de otros metales
- Densidad similar a las aleaciones comunes de ingeniería
- Mayor ductilidad que materiales como el acero o el níquel
- Gama de aleaciones para ajustar las propiedades
- Comportamiento antimicrobiano que garantiza un uso higiénico
- Reciclabilidad en apoyo de los objetivos de sostenibilidad
Las piezas con detalles finos, geometrías complejas y canales conformados ligeros se pueden fabricar con propiedades adaptadas a las tensiones térmicas, eléctricas o mecánicas mediante una selección óptima de aleaciones y procesos.
Las aplicaciones potenciales abarcan la refrigeración electrónica, los componentes de radiofrecuencia, los moldes de fundición con refrigeración conformada y los implantes personalizados. A medida que las plataformas aditivas amplíen los volúmenes de fabricación de materiales de cobre, su adopción aumentará en todos los sectores.
Tipos de polvo de cobre
Existen varios tipos de materias primas en polvo en función del método de producción, las características y la familia de aleaciones:
| Tipo | Descripción | Tamaño de las partículas | Morfología | Densidad aparente |
|---|---|---|---|---|
| Gas atomizado | Cobre elemental atomizado con gas inerte | 20-63 μm | Redondeado, esférico | 3-4 g/cc |
| Agua atomizada | Partículas de cobre rotas por el agua | 45-150 μm | Irregular, poroso | ∼2 g/cc |
| Electrolítico | Polvo de cobre procedente del proceso electrolítico | 5-200 μm | Hojaldrado, esponjoso | 1-3 g/cc |
| Polvos de aleación | CuCr1Zr, CuCo2Be, etc. prealeados y atomizados por gas. | 20-45 μm | Casi esférica | 3-4 g/cc |
Los polvos atomizados con gas y aleados tienen características de fluidez y forma adecuadas para las necesidades de la AM.
fabricación aditiva cobre Composición
Varias opciones de material de cobre para el aditivo:
| Material | Adiciones de aleación | Características |
|---|---|---|
| Cobre puro | – | Alta conductividad, suave |
| Latón | 15-45% Zn | Aleación más resistente y mecanizable |
| Bronce | 5-12% Sn, | Mayor resistencia con algunos bronces al plomo |
| Cobre-níquel | 10-30% Ni | Expansión controlada, buen comportamiento frente a la corrosión |
Los oligoelementos como Pb, Fe, Sb ayudan a modificar las propiedades y la procesabilidad. Las composiciones específicas se ajustan a las permutaciones deseadas de rendimiento eléctrico, térmico y mecánico.
Propiedades de cobre de fabricación aditiva
Las nuevas capacidades de AM del cobre se basan en atributos físicos y funcionales útiles:
Propiedades físicas
| Propiedad | Cobre puro | Valor | Unidad |
|---|---|---|---|
| Densidad | – | 8.9 | g/cm3 |
| Punto de fusión | – | 1085 | °C |
| Conductividad térmica | – | 385 | W/m-K |
| Resistividad eléctrica | – | 1,72 x 10-6 | ohm-cm |
| CTE | – | ∼17 | μm/m-K |
Su densidad se sitúa entre el aluminio y los aceros suaves, mientras que su excepcional conductividad supera a las opciones metálicas alternativas.
Propiedades mecánicas
Varía con las adiciones de aleación tras el tratamiento térmico:
| Propiedad | Límite elástico | Resistencia a la tracción | Alargamiento | Dureza |
|---|---|---|---|---|
| Cobre puro | ∼215 MPa | ∼280 MPa | ∼35% | ∼60 HB |
| Latón | ∼450 MPa | ∼650 MPa | ∼35% | ∼150 HB |
| Bronce | ∼275 MPa | ∼480 MPa | ∼15% | ∼120 HB |
| Cobre-níquel | ∼550 MPa | ∼750 MPa | ∼30% | ∼180 HB |
Atributos funcionales
| Parámetro | Clasificación | Unidades |
|---|---|---|
| Conductividad eléctrica | Excelente | %IACS |
| Conductividad térmica | Excelente | W/m-K |
| Resistencia a la corrosión | Moderado | – |
| Biofuncionalidad | Eficacia antimicrobiana | – |
| Resistencia a la fatiga térmica | Bien | Ciclos |
| Propiedades de amortiguación | Muy buena | – |
Estas características ayudan a orientar los contactos eléctricos, los leadframes, los intercambiadores de calor, etc. aprovechando la agilidad de la AM.
Producción de fabricación aditiva cobre
Instalación de producción comercial de materia prima en polvo:
1. Fusión - El cátodo de cobre puro se funde por inducción en atmósfera controlada
2. Atomización - El gas inerte a alta presión rompe la corriente fundida en finas gotas
3. Enfriamiento y recogida del polvo - Conformación y solidificación de partículas de polvo
4. Tamizado - La clasificación en varios pasos permite obtener fracciones específicas para cada aplicación
5. Embalaje - Los recipientes sellados con retención de gas inerte garantizan la estabilidad del almacenamiento
Las aleaciones especiales se funden por inducción en vacío antes de la atomización. El reciclado de chatarra también proporciona polvo adecuado.
fabricación aditiva cobre Aplicaciones
Aplicaciones emergentes que se benefician de las capacidades de la AM del cobre:
Electrónica
Su excelente conductividad térmica facilita la evacuación del calor de los paquetes y minimiza los problemas de dilatación. Es posible personalizar los disipadores de calor impresos o los escudos.
Componentes eléctricos
La baja resistividad permite fabricar inductores, barras colectoras y blindajes de RF ligeros mediante fabricación aditiva.
Piezas de desgaste
La mejora de la rugosidad superficial mediante AM favorece la resistencia a la abrasión en aplicaciones como cojinetes, casquillos, etc.
Automoción
La combinación de resistencia y ductilidad beneficia a las geometrías de intercambiador de calor de pared delgada necesarias para la gestión térmica de baterías de vehículos eléctricos.
Aeroespacial
La experiencia adquirida con el revestimiento de las cámaras de los motores de cohetes se aplica a los sistemas de evacuación de calor de los aviones, como las cámaras de vapor.
Biomédica
El comportamiento antimicrobiano favorece la personalización de implantes y prótesis adaptados a interfaces biológicas.
fabricación aditiva cobre Especificaciones
Características y métricas clave del polvo de cobre para AM:
Grados
Según la norma MPIF 115 para polvos de fabricación aditiva:
| Tipo | Tamaños | Forma de las partículas | Densidad aparente | Caudal |
|---|---|---|---|---|
| Ultrafino | 15-25 μm | Redondeado | ≥ 2,5 g/cc | Feria |
| Muy bueno | 25-45 μm | Redondeado | ≥ 3 g/cc | Bien |
| Fino | 45-75 μm | Redondeado | ≥ 3,5 g/cc | Bien |
| Relativamente gruesa | 75-100 μm | Redondeado | ≥ 4 g/cc | Muy buena |
Los tamaños más pequeños ofrecen una mejor resolución y acabado superficial, mientras que las partículas más grandes proporcionan economías de velocidad de fabricación.
Normas de cobre de fabricación aditiva
Entre los principales protocolos de prueba de polvo se incluyen:
- MPIF 115 - Fabricación aditiva de piezas estructurales por pulvimetalurgia
- ASTM B243 - Standard Test Method for Powder Metallurgy Copper and Copper Alloy Powders and Compacts (Método de ensayo estándar para polvos y compactos de cobre y aleaciones de cobre).
- ISO 4490 - Determination of particle size distribution for metal powders by laser diffraction
- BSI PAS 139 - Especificación para piezas fabricadas aditivamente en metales
Esto ayuda a evaluar la calidad de la materia prima para una reproducibilidad y fiabilidad óptimas de las piezas impresas.
fabricación aditiva cobre Precios
Precios representativos, 2023:
| Tipo | Precio |
|---|---|
| Gas atomizado | $12-18 por kg |
| Agua atomizada | $8-12 por kg |
| Aleación especial | $30-50 por kg |
La mayor distribución de la densidad y las partículas más pequeñas y uniformes priman sobre las morfologías irregulares y los tamaños gruesos.
Ventajas e inconvenientes
Ventajas
- Muy alta conductividad eléctrica y térmica
- Combinación útil de resistencia y ductilidad
- Características antimicrobianas de la superficie
- Excelente biofuncionalidad y biocompatibilidad
- Estabilidad dimensional a distintas temperaturas de funcionamiento
- Transferencia de calor más rápida desde secciones finas
- Apto para contacto con alimentos, líquidos y gases
Desventajas
- Capacidad a altas temperaturas inferior a la de las aleaciones ferrosas
- Menor dureza que las aleaciones de hierro, cobalto o níquel
- Pesado en comparación con metales ligeros como el aluminio, el magnesio
- Costes de material más elevados que los del acero
- Sensible a la fragilización por hidrógeno en determinadas condiciones
Comprender los puntos fuertes y las limitaciones exclusivas promete una aplicación óptima en todos los sectores en los que el cobre aporta valor.
fabricación aditiva cobre Proveedores
Principales fuentes mundiales que ofrecen polvo de cobre para fabricación aditiva:
| Empresa | Ubicación de la sede |
|---|---|
| Sandvik Osprey | REINO UNIDO |
| Fabricación de polvos metálicos | REINO UNIDO |
| Höganäs | Suecia |
| ECKA Granulado | Alemania |
| Kymera Internacional | EE.UU. |
| CNPC de Shanghai | China |
Estos consolidados productores de polvo metálico atienden ahora la creciente demanda de cobre de los mercados industriales de impresión 3D con calidades personalizadas. Los servicios de procesamiento a medida aumentan la escalabilidad de la capacidad de la materia prima de cobre en polvo para AM.
Preguntas frecuentes
| Pregunta | Respuesta |
|---|---|
| ¿Qué se entiende por fabricación aditiva de cobre? | Construcción de componentes a partir de polvo de cobre metálico como parte de la fusión de lecho de polvo estratificado o la deposición de energía dirigida. |
| ¿Qué tipos de polvo de cobre existen para la AM? | Atomizado con gas, atomizado con agua y electrolítico junto con latón prealeado, polvos de bronce |
| ¿Por qué elegir material de cobre para la fabricación aditiva? | Aprovechar la excelente conductividad eléctrica y térmica conservando la resistencia útil. |
| ¿Qué tamaño de partícula de polvo de cobre es óptimo para los procesos de AM por láser? | Por lo general, el grado muy fino de 25 a 45 micras de tamaño |
| ¿Qué pasos de postprocesado son necesarios en los componentes de cobre as-printed? | El prensado isostático en caliente ayuda a conseguir una densidad ∼100% seguida de un tratamiento térmico para una microestructura óptima. |
| ¿Cubren las normas UNS las calidades de cobre para la fabricación aditiva? | Sí, UNS C10100 para cobre puro entre otros como UNS C87850 para aleación CuCr1Zr. |
| ¿Cómo mejorar el acabado superficial de las piezas de cobre fabricadas aditivamente? | Combinación de tamaños de polvo fino, espesores de capa optimizados, mecanizado posterior y galvanoplastia |
| ¿Existen precauciones especiales de seguridad al manipular polvo de cobre? | Sí, se recomienda un equipo de protección personal adecuado junto con medidas para evitar el polvo fino en suspensión en el aire |
Resumen
La fabricación aditiva amplía notablemente la flexibilidad de producción de componentes de cobre, liberando nuevas geometrías y permitiendo ensamblajes multifuncionales ligeros en los ámbitos de la electrónica, la electricidad y la gestión térmica. A medida que la calidad del polvo respalde un rendimiento mecánico fiable equiparable al de las rutas convencionales, las piezas de misión crítica de mayor tamaño adoptarán la productividad de la AM a escala comercial.
Las nuevas variantes de aleación extrapoladas de las prometedoras capacidades del CuCrZr y el CuCo apuntan a combinaciones de propiedades desconocidas para aplicaciones espaciales. Mientras tanto, sectores de alto valor como el médico aprovechan la biofuncionalidad para crear intercambiadores de calor e implantes personalizados mediante la construcción AM. De este modo, el cobre omnipresente entra en un nuevo terreno gracias a la versatilidad de la fusión en lecho de polvo y la deposición de energía dirigida, ya que las utilidades aprovechan las complejidades de la forma con conductividades útiles.
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