Fabrication additive Cuivre
Table des matières
Le cuivre est de plus en plus utilisé dans les méthodes de fabrication additive, ce qui permet de fabriquer des pièces hautement conductrices avec des performances mécaniques utiles. Le cuivre est l'un des rares métaux à pouvoir être utilisé dans les procédés de fusion sur lit de poudre, de projection de liant et de dépôt par énergie dirigée. La compréhension des principaux attributs des poudres promet une croissance des applications.
Vue d'ensemble de fabrication additive cuivre
Fabrication additive à partir de promesses de cuivre :
- Conductivité électrique et thermique supérieure à celle des autres métaux
- Densité similaire à celle des alliages techniques courants
- ductilité améliorée par rapport à des matériaux tels que l'acier ou le nickel
- Gamme de choix d'alliages permettant d'ajuster les propriétés
- Comportement antimicrobien garantissant une utilisation hygiénique
- La recyclabilité au service des objectifs de développement durable
Les pièces comportant des détails fins, des géométries complexes et des canaux conformes légers peuvent être fabriquées avec des propriétés adaptées aux contraintes thermiques, électriques ou mécaniques grâce à une sélection optimale des alliages et des processus.
Les applications potentielles couvrent le refroidissement de l'électronique, les composants de radiofréquence, les moules de coulée avec refroidissement conforme et les implants personnalisés. À mesure que les plates-formes additives augmentent les volumes de production de matériaux en cuivre, leur adoption augmentera dans tous les secteurs.
Types de poudre de cuivre
Différents types de poudres sont disponibles en fonction de la méthode de production, des caractéristiques et de la famille d'alliages :
| Type | Description | Taille des particules | Morphologie | Densité apparente |
|---|---|---|---|---|
| Gaz atomisé | Cuivre élémentaire atomisé sous gaz inerte | 20-63 μm | Arrondi, sphérique | 3-4 g/cc |
| Eau pulvérisée | Particules de cuivre brisées par l'eau | 45-150 μm | Irrégulier, poreux | ∼2 g/cc |
| Électrolytique | Poudre de cuivre issue d'un processus électrolytique | 5-200 μm | Floconneux, spongieux | 1-3 g/cc |
| Poudres d'alliage | CuCr1Zr, CuCo2Be, etc. pré-alliés, atomisés au gaz. | 20-45 μm | Presque sphérique | 3-4 g/cc |
Les poudres atomisées au gaz et les poudres d'alliage présentent des caractéristiques de fluidité et de forme adaptées aux besoins de l'AM.
fabrication additive cuivre Composition
Diverses options de matériaux en cuivre pour l'additif :
| Matériau | Compléments d'alliage | Caractéristiques |
|---|---|---|
| Cuivre pur | – | Haute conductivité, doux |
| Laiton | 15-45% Zn | Alliage plus résistant et usinable |
| Bronze | 5-12% Sn, | Amélioration de la résistance de certains bronzes au plomb |
| Cuivre-nickel | 10-30% Ni | Expansion contrôlée, bonne résistance à la corrosion |
Des oligo-éléments tels que Pb, Fe, Sb contribuent à modifier les propriétés et l'aptitude au traitement. Des compositions spécifiques sont mises au point pour obtenir les performances électriques, thermiques et mécaniques souhaitées.
Propriétés de la fabrication additive de cuivre
Les nouvelles capacités d'AM du cuivre s'appuient sur des attributs physiques et fonctionnels utiles :
Propriétés physiques
| Propriété | Cuivre pur | Valeur | Unité |
|---|---|---|---|
| Densité | – | 8.9 | g/cm3 |
| Point de fusion | – | 1085 | °C |
| Conductivité thermique | – | 385 | W/m-K |
| Résistivité électrique | – | 1,72 x 10-6 | ohm-cm |
| CTE | – | ∼17 | μm/m-K |
La densité se situe entre l'aluminium et les aciers doux, tandis que la conductivité exceptionnelle dépasse celle des autres options métalliques.
Propriétés mécaniques
Varie en fonction des alliages ajoutés après le traitement thermique :
| Propriété | Limite d'élasticité | Résistance à la traction | Élongation | Dureté |
|---|---|---|---|---|
| Cuivre pur | ∼215 MPa | ∼280 MPa | ∼35% | ∼60 HB |
| Laiton | ∼450 MPa | ∼650 MPa | ∼35% | ∼150 HB |
| Bronze | ∼275 MPa | ∼480 MPa | ∼15% | ∼120 HB |
| Cuivre-nickel | ∼550 MPa | ∼750 MPa | ∼30% | ∼180 HB |
Attributs fonctionnels
| Paramètres | Evaluation | Unités |
|---|---|---|
| Conductivité électrique | Excellent | %IACS |
| Conductivité thermique | Excellent | W/m-K |
| Résistance à la corrosion | Modéré | – |
| Biofonctionnalité | Efficacité antimicrobienne | – |
| Résistance à la fatigue thermique | Bon | Cycles |
| Propriétés d'amortissement | Très bon | – |
Ces caractéristiques permettent de cibler les contacts électriques, les leadframes, les échangeurs de chaleur, etc. en tirant parti de la souplesse de l'AM.
Production de fabrication additive cuivre
Installation de production de poudre de matière première commerciale :
1. La fonte - La cathode de cuivre pur est fondue par induction dans une atmosphère contrôlée.
2. Atomisation - Le gaz inerte à haute pression brise le flux fondu en fines gouttelettes.
3. Refroidissement et collecte des poudres - Mise en forme et solidification des particules de poudre
4. Le tamisage - La classification en plusieurs étapes permet d'obtenir des fractions spécifiques aux applications
5. Emballage - Les conteneurs scellés avec rétention de gaz inerte garantissent la stabilité du stockage.
Les alliages spéciaux sont fondus par induction sous vide avant d'être atomisés. Le recyclage de la ferraille permet également d'obtenir des poudres appropriées.
fabrication additive cuivre Applications
Nouveaux domaines d'application bénéficiant des capacités de l'AM du cuivre :
Électronique
Une excellente conductivité thermique facilite l'évacuation de la chaleur des boîtiers tout en minimisant les problèmes d'expansion. Des caractéristiques telles que des dissipateurs ou des boucliers thermiques imprimés et personnalisables deviennent possibles.
Composants électriques
La faible résistivité permet de fabriquer des inductances légères, des barres omnibus et des blindages RF par fabrication additive.
Pièces d'usure
L'amélioration de la rugosité de surface grâce à l'AM favorise la résistance à l'abrasion dans des applications telles que les roulements, les bagues, etc.
Automobile
La combinaison de la résistance et de la ductilité permet d'obtenir des géométries d'échangeurs de chaleur à paroi mince nécessaires à la gestion thermique des batteries de véhicules électriques.
Aérospatiale
Les enseignements tirés du gainage des chambres des moteurs de fusée s'appliquent aux systèmes de rejet de la chaleur dans les avions, tels que les chambres à vapeur.
Biomédical
Le comportement antimicrobien encourage les implants personnalisés et les prothèses adaptées aux interfaces biologiques.
fabrication additive cuivre Spécifications
Caractéristiques et mesures clés des poudres de cuivre pour l'AM :
Notes
Selon la norme MPIF 115 pour les poudres de fabrication additive :
| Type | Gamme de tailles | Forme des particules | Densité apparente | Débit |
|---|---|---|---|---|
| Ultrafine | 15-25 μm | Arrondi | ≥ 2,5 g/cc | Juste |
| Très bon | 25-45 μm | Arrondi | ≥ 3 g/cc | Bon |
| Bien | 45-75 μm | Arrondi | ≥ 3,5 g/cc | Bon |
| Relativement grossier | 75-100 μm | Arrondi | ≥ 4 g/cc | Très bon |
Les particules de petite taille offrent une meilleure résolution et un meilleur état de surface, tandis que les particules de plus grande taille permettent de réaliser des économies sur le plan de la vitesse de fabrication.
Normes de la fabrication additive de cuivre
Les principaux protocoles d'essai des poudres sont les suivants
- MPIF 115 - Fabrication additive de pièces structurelles par métallurgie des poudres
- ASTM B243 - Méthode d'essai standard pour les poudres et compacts de cuivre et d'alliages de cuivre de la métallurgie des poudres
- ISO 4490 - Détermination de la distribution granulométrique des poudres métalliques par diffraction laser
- BSI PAS 139 - Spécification pour les pièces métalliques fabriquées de manière additive
Ils permettent d'étalonner la qualité des matières premières pour une reproductibilité et une fiabilité optimales des pièces imprimées.
fabrication additive cuivre Tarification
Prix représentatifs, 2023 :
| Type | Prix |
|---|---|
| Gaz Atomisé | $12-18 par kg |
| Eau atomisée | $8-12 par kg |
| Alliages spéciaux | $30-50 par kg |
Une distribution plus dense, des particules plus petites et uniformes l'emportent sur des morphologies irrégulières et des tailles grossières.
Avantages et inconvénients
Avantages
- Conductivité électrique et thermique très élevée
- Combinaison utile de résistance et de ductilité
- Caractéristiques de la surface antimicrobienne
- Excellente biofonctionnalité et biocompatibilité
- Stabilité dimensionnelle à toutes les températures de fonctionnement
- Transfert de chaleur plus rapide à partir de sections minces
- Convient pour le contact avec les aliments, les liquides et les gaz
Inconvénients
- Capacité à haute température inférieure à celle des alliages ferreux
- Dureté inférieure à celle des alliages de fer, de cobalt ou de nickel
- Lourd par rapport aux métaux légers tels que l'aluminium et le magnésium
- Coûts des matériaux plus élevés que ceux de l'acier
- Sensible à la fragilisation par l'hydrogène dans certaines conditions
La compréhension des forces et des limites uniques promet une application optimale dans les industries où le cuivre libère de la valeur.
fabrication additive cuivre Fournisseurs
Principales sources mondiales de poudre de cuivre pour la fabrication additive :
| Entreprise | Emplacement du siège |
|---|---|
| Sandvik Osprey | ROYAUME-UNI |
| Fabrication de poudres métalliques | ROYAUME-UNI |
| Höganäs | Suède |
| ECKA Granulés | Allemagne |
| Kymera International | ÉTATS-UNIS |
| Shanghai CNPC | Chine |
Ces producteurs de poudres métalliques bien établis répondent désormais à la demande croissante de cuivre des marchés industriels de l'impression 3D en proposant des qualités personnalisées. Les services de traitement à façon augmentent l'évolutivité de la capacité de production de poudres de cuivre pour l'impression 3D.
FAQ
| Question | Répondre |
|---|---|
| Qu'entend-on par fabrication additive du cuivre ? | Construction de composants à partir de poudre de cuivre métallique dans le cadre d'une fusion sur lit de poudre en couches ou d'un dépôt d'énergie dirigée |
| Quels sont les différents types de poudre de cuivre disponibles pour l'AM ? | Atomisation au gaz, atomisation à l'eau et électrolyse, ainsi que laiton pré-allié, poudres de bronze |
| Pourquoi choisir le cuivre pour la fabrication additive ? | Exploiter une excellente conductivité électrique et thermique tout en conservant une résistance utile. |
| Quelle est la taille optimale des particules de poudre de cuivre pour les processus d'AM laser ? | Typiquement, la qualité très fine de 25 à 45 microns. |
| Quelles sont les étapes de post-traitement nécessaires pour les composants en cuivre imprimés ? | Le pressage isostatique à chaud permet d'obtenir une densité de ∼100%, suivi d'un traitement thermique pour une microstructure optimale. |
| Les normes UNS couvrent-elles les qualités de cuivre pour la fabrication additive ? | Oui, UNS C10100 pour le cuivre pur parmi d'autres comme UNS C87850 pour l'alliage CuCr1Zr. |
| Comment améliorer l'état de surface des pièces en cuivre fabriquées de manière additive ? | Combinaison de poudres fines, d'épaisseurs de couches optimisées, de post-usinage et de galvanoplastie |
| Y a-t-il des précautions particulières à prendre lors de la manipulation de la poudre de cuivre ? | Oui, un équipement de protection du personnel approprié est recommandé, ainsi que des mesures pour éviter la dispersion dans l'air des poudres fines. |
Résumé
La fabrication additive accroît considérablement la souplesse de production des composants en cuivre, libérant de nouvelles géométries et permettant des assemblages multifonctionnels légers dans les domaines de l'électronique, de l'électricité et de la gestion thermique. La qualité des poudres garantissant des performances mécaniques fiables comparables à celles des procédés conventionnels, les pièces critiques de plus grande taille adopteront la productivité de la fabrication additive à l'échelle commerciale.
De nouvelles variantes d'alliages extrapolées à partir des capacités prometteuses du CuCrZr et du CuCo laissent entrevoir des combinaisons de propriétés inexplorées pour les applications spatiales. Par ailleurs, des secteurs à forte valeur ajoutée, tels que le secteur médical, tirent parti de la biofonctionnalité pour créer des échangeurs de chaleur et des implants sur mesure grâce à la construction par AM. Le cuivre omniprésent entre ainsi sur un nouveau terrain grâce à la polyvalence de la fusion sur lit de poudre et du dépôt par énergie dirigée, les services publics exploitant les complexités de la forme avec des conductivités utiles.
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MET3DP Technology Co. est un fournisseur de premier plan de solutions de fabrication additive dont le siège se trouve à Qingdao, en Chine. Notre société est spécialisée dans les équipements d'impression 3D et les poudres métalliques de haute performance pour les applications industrielles.
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