Poudre de cuivre pour l'impression 3D

Vue d'ensemble Poudre de cuivre pour l'impression 3D

La poudre de cuivre pour impression 3D est une poudre métallique composée de cuivre pur ou d'alliages de cuivre utilisée comme matière première dans diverses technologies d'impression 3D pour la fabrication de pièces et de produits en cuivre destinés à une utilisation finale.

Voici quelques propriétés et avantages clés de l'impression 3D avec de la poudre de cuivre :

• Conductivité électrique et thermique élevée souhaitée pour les applications électroniques
• Taux d'usinabilité très élevés pour une bonne finition et un bon post-traitement
• Excellentes propriétés mécaniques telles que la résistance et la ductilité
• Résistance à la corrosion grâce à la formation d'une couche protectrice d'oxyde de cuivre
• Bio-compatible pour les dispositifs médicaux et les implants
• Avantage en termes de coûts par rapport à l'usinage conventionnel du cuivre

Plusieurs procédés d'impression 3D de métaux utilisent de la poudre de cuivre, le plus souvent :

Types d'impression 3D utilisant de la poudre de cuivre

Technologie d'impression 3D	Description
Jetting de liant	Colle la poudre de cuivre à l'aide de liants liquides
Dépôt d'énergie dirigée (DED)	Utilisation d'un laser ou d'un faisceau d'électrons pour faire fondre la poudre de cuivre
Fusion sélective par laser (SLM)	Fusion laser sélective et lit de poudre de cuivre

Ces techniques de fabrication additive permettent de créer des géométries complexes avec du cuivre, ce qui n'est pas possible avec le moulage ou l'usinage. Les pièces peuvent être fabriquées à la demande sans outillage ni moule.

Voyons maintenant plus en détail les qualités de cuivre pour l'impression 3D, les propriétés, les applications, les spécifications, les prix, les comparaisons et bien plus encore.

Composition des Poudre de cuivre pour l'impression 3D

Il existe quelques grands types de poudres de cuivre métal utilisées dans la fabrication additive :

Compositions de poudre de cuivre pour l'impression 3D

Type de poudre	Composition typique
Cuivre pur	99,7% Cu minimum
Alliage cuivre-étain	Alliage de bronze Cu-10Sn
Alliage cuivre-nickel	90Cu-10Ni ou 70Cu-30Ni

Caractéristiques des pièces en cuivre pur imprimées en 3D

• Excellente conductivité électrique pour l'électronique
• Matériau ductile permettant un traitement ultérieur
• Le recuit peut encore améliorer la ductilité
• Faible dureté à 100 HV après impression

Pour

• Conductivité thermique et électrique élevée
• Facile à usiner, à plaquer, à revêtir après construction
• Bio-compatible pour les utilisations médicales
• Le soudage de métaux différents est simplifié

Cons

• Textures et caractéristiques douces et peu résistantes
• Risque de délamination entre les couches
• Formation d'un film d'oxyde susceptible d'être contaminé

Caractéristiques des pièces en bronze Cu-Sn imprimées en 3D

• Meilleures propriétés mécaniques grâce à l'alliage d'étain
• Jusqu'à deux fois plus de dureté et de résistance
• Finition de surface résistante à l'usure
• Résistance accrue à la température

Pour

• Des pièces plus solides pour résister à la déformation
• Permet d'imprimer des détails fins et des textures
• De petites quantités d'étain améliorent les propriétés
• Bonne résistance à la corrosion

Cons

• Conductivité thermique et électrique plus faible
• Une densité plus élevée augmente le poids
• Nécessite encore des supports lors de l'impression

Caractéristiques des pièces en alliage Cu-Ni imprimées en 3D

• Excellente combinaison de résistance et de conductivité
• Maintient une ductilité et des propriétés thermiques élevées
• Durcissement pour la protection contre l'usure
• Se soude bien avec d'autres composants en cuivre

Pour

• Propriétés accordables équilibrant la résistance, la dureté et la conductivité
• Des pièces solides capables de résister aux contraintes
• Le nickel 10% double la limite d'élasticité.
• Le point de fusion plus bas permet d'imprimer à basse température

Cons

• Non biocompatible pour les dispositifs médicaux
• Le nickel peut provoquer une corrosion galvanique
• Coûts des matériaux plus élevés que ceux du cuivre pur

Applications du cuivre imprimé en 3D

Grâce à ses propriétés polyvalentes, l'impression 3D avec de la poudre de cuivre est utilisée dans tous les secteurs d'activité :

Applications de la poudre de cuivre pour l'impression 3D

L'industrie	Applications courantes
Électronique	Interconnexions, contacts, terminaux, blindage EMI
Électrique	Barres omnibus, enroulements de rotor, électro-aimants
Échangeurs de chaleur	Dissipateurs de chaleur, évaporateurs, condenseurs
Automobile	Conseils de soudage, bagues, roulements
Architecture	Façades décoratives, panneaux, modelage
Médical	Électrodes, GREENs, implants, outils chirurgicaux

Voici quelques exemples de produits spécifiques :

Électronique: Traces conductrices, fils, antennes, batteries, capteurs

Automobile : Boîtiers d'éclairage, raccords rapides, inserts filetés

Aérospatiale : Supports, composants de contrôle du couple, matériel radio

Biens de consommation : Boutons, fermetures, fermetures à glissière, pièces décoratives

Matériel : Engrenages, serrures, ressorts, fixations comme les écrous et les boulons

L'utilisation des propriétés du cuivre dans l'impression 3D permet d'obtenir des géométries innovantes, impossibles à réaliser avec des méthodes soustractives, qui peuvent améliorer la fonctionnalité et l'efficacité.

Spécifications de la poudre de cuivre pour l'impression 3D

Les fabricants d'imprimantes 3D caractérisent la poudre de cuivre en fonction de paramètres tels que :

Spécifications de la poudre de cuivre pour l'impression 3D

Paramètres	Gamme de spécifications typiques
Forme de la poudre	Principalement sphérique
Gamme de tailles	15-45 microns
Densité apparente minimale	3,5 g/cm3
Épaisseur typique de la couche	20-100 microns
Débit	>=25 sec pour 50 g
Oxygène résiduel	0,3% max

Autres mesures importantes de la poudre :

• Densité du robinet: Après décantation, 4-4,5 g/cm3
• Débit de Hall: Temps nécessaire pour que 50 g de poudre s'écoulent à travers l'ouverture de l'entonnoir
• Rapport de Hausner: La masse volumique divisée par la masse volumique apparente indique la fluidité

La distribution étroite assure un étalement dense et uniforme de la poudre pendant l'impression. La faible teneur en oxygène empêche l'excès d'oxydes de nuire à l'adhérence des couches.

Prix des poudres de cuivre, fournisseurs et comparaisons

Les coûts de la poudre de cuivre fluctuent en fonction des prix du marché, de la composition, de la quantité et de la localisation de la source :

Comparaison des coûts de la poudre de cuivre

Type	Fourchette de prix moyenne	Principaux fournisseurs
Cuivre pur	$50-80 par kg	AP&C, Sandvik Osprey, Carpenter Additive
Cu-10Sn bronze	$55-90 par kg	ECKA Granules, BASF Additive Mfg, LPW Technology
Alliage CuNi10	$65-105 par kg	Linde, Arconic Components, Praxair

L'achat de poudres de haute pureté auprès de fabricants de poudres métalliques certifiés garantit une qualité fiable. Les fournisseurs étrangers offrent des options moins coûteuses mais peuvent manquer de constance.

Lorsque vous comparez les matériaux de la poudre de cuivre pour un travail d'impression, tenez compte de ce qui suit :

Avantages et inconvénients des différentes poudres de cuivre

Type	Pour	Cons
Cuivre pur	Performances thermiques/électriques élevées<br>Coût le plus bas	Pièces souples sujettes à l'usure<br>Risque de délamination
Alliage de bronze Cu	Des composants plus solides<br>Meilleure résolution des détails	Composants plus lourds<br>Conductivité plus faible
Cuivre-nickel	Résistance et conductivité équilibrées <br>Contrôle du frottement/de l'usure	Non bio-compatible<br>Plus difficile à usiner

En résuméLe cuivre pur répond aux besoins de l'électronique en mettant l'accent sur la conductivité et la ductilité à faible coût, tandis que les alliages répondent mieux aux exigences mécaniques en offrant une résistance et une dureté plus élevées.

Paramètres d'impression, seuils et recommandations

Le réglage optimal de l'impression est la clé d'une utilisation réussie de la poudre de cuivre :

Paramètres du profil d'impression pour la poudre de cuivre

Paramètres	Gamme typique	Recommandations
Épaisseur de la couche	20-100 microns	Des couches plus fines améliorent la liaison entre les couches
Puissance du laser (pour SLM)	100-500 W	Densité et mouillage plus élevés pour une puissance accrue
Vitesse de balayage	100-500 mm/s	Des vitesses plus rapides réduisent l'apport de chaleur et les contraintes résiduelles
Taille du faisceau	20-100 microns	Diamètre du laser proche de l'épaisseur de la couche
Structures de soutien	En forme d'arbre	Prévenir les déformations puis les éliminer par post-traitement
Gaz de protection	Argon ou azote	Prévenir l'oxydation pendant la construction
Chauffage de la plaque de construction	50-250°C	Dissipateur thermique déposé une fois si le refroidissement est trop rapide
Soulagement du stress	Recuit 1-3 heures à 400°C	Réduction des contraintes résiduelles favorisant l'intégrité de la couche
Pressage isostatique à chaud	1000-10000 psi à 500-950°C	Augmentation de la densité par l'effondrement des vides
Finition de surface	Tambourinage, usinage, meulage, polissage, etc.	Lisser la rugosité de la surface

La surveillance de la taille et des températures du bain de fusion facilite l'étalonnage en temps réel des paramètres du laser. Adapter l'apport d'énergie à la zone d'impression pour obtenir une bonne fusion sans échauffement excessif.

Pour des pièces de haute qualitéLa gestion thermique est essentielle, de même que l'atténuation des contraintes résiduelles par des cycles de chauffage/refroidissement stratégiques pendant l'impression et par des traitements thermiques après la fabrication. Exploiter les méthodes standard de métallurgie et d'usinage pour la finition des composants imprimés en cuivre.

Normes industrielles pour l'impression 3D à l'aide de poudres métalliques

Organismes de normalisation pour la fabrication additive métallique

Organisation	Normes relatives à l'AM des métaux
ASTM International	F3049, F2971, F3184, F3301 etc. pour les alliages améliorables, les exigences en matière de processus, les qualités
Organisation internationale de normalisation (ISO)	ISO/ASTM 52915, 52921 couvrant la conception, les processus, les essais
SAE International	AMS7001A Spécifications des matériaux et processus aérospatiaux
Société américaine des ingénieurs en mécanique (ASME)	BPVC Section IX Codes de soudage
Institut national des normes et de la technologie (NIST)	Données de référence sur les poudres de cuivre et science de la mesure
Commission électrotechnique internationale (CEI)	IEC 62890 : étalonnage des performances des procédés de fusion sur lit de poudre métallique

Ceux-ci partagent les meilleures pratiques et quantifient les critères de performance reproductibles afin de qualifier les pièces pour l'utilisation finale.

Pour composants pour l'aérospatiale et l'aviationD'autres normes de la CAA et de la FAA doivent également être respectées. Automobile Les pièces font également référence aux spécifications UL, A2LA et NADCAP.

Dans les applications de dispositifs médicauxLa conformité aux réglementations de la FDA et de la CE est obligatoire avant la commercialisation afin de garantir la biocompatibilité et la sécurité des patients.

Globalement, les normes synchronisent le développement technologique dans l'ensemble du secteur de la fabrication additive métallique.

FAQ

Q : Comment choisir l'alliage de cuivre adapté à mon application ?

R : La plupart des produits mettent l'accent sur la résistance, la dureté et la résistance à l'usure ou sur la conductivité thermique/électrique. L'ajustement des éléments d'alliage tels que l'étain ou le nickel en conséquence permet d'optimiser les propriétés sur mesure.

Q : La poudre de cuivre doit-elle être protégée par un gaz inerte lors de l'impression ?

R : Oui, le chauffage de la poudre de cuivre à des températures élevées provoque une oxydation de surface qui entraîne la perte d'éléments d'alliage. Un blindage à l'argon ou à l'azote permet d'éviter une perte excessive de matière.

Q : Qu'est-ce qui provoque des fissures entre les couches lors de l'impression 3D du cuivre ?

R : Les taux de refroidissement différentiels et la contraction de l'alliage peuvent introduire des contraintes conduisant à des fissures entre les couches. De meilleurs contrôles thermiques pendant la fabrication et des traitements thermiques de détente après le processus réduisent ces défauts.

Q : Pourquoi ma pièce de cuivre imprimée en 3D a-t-elle une mauvaise finition de surface et une mauvaise texture ?

R : La fusion insuffisante des particules de poudre due à la faible puissance du laser provoque des textures poreuses et irrégulières qui nécessitent un usinage de finition important. L'étalonnage de l'impression, le chevauchement adéquat des couches et une densité d'énergie plus élevée améliorent la qualité de la surface.

Q : L'impression directe sur métal avec de la poudre de cuivre est-elle très coûteuse ?

R : Oui, les deux coûts du système d'impression dépassant $100 000 et les achats récurrents de poudre métallique rendent le coût prohibitif pour les petites productions. Toutefois, le coût par pièce diminue considérablement pour les productions en série en raison de l'absence d'exigences en matière d'outillage.

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