積層造形銅
目次
アディティブ・マニュファクチャリングの銅は、アディティブ・マニュファクチャリングの手法の中で、有用な機械的 性能を持つ高導電性パーツの製造を可能にし、その用途が拡大していることを実証しています。粉末床溶融法、バインダージェット法、指向性エネルギー蒸着法など、数少ない金属オプションのひとつである銅は、主要な粉末の特性を理解することで、用途の拡大が期待できます。
概要 の 積層造形銅
銅の約束を使った積層造形：
- 他の金属を上回る電気伝導性と熱伝導性
- 一般的なエンジニアリング合金に近い密度
- 鋼やニッケルなどの素材よりも優れた延性
- 特性を調整するための幅広い合金選択
- 衛生的な使用を確保する抗菌行動
- 持続可能な目標を支えるリサイクル性
微細なディテール、複雑な形状、軽量のコンフォーマルチャンネルを持つ部品は、最適な合金とプロセスの選択により、熱的、電気的、機械的ストレスに合わせた特性で製造可能になります。
エレクトロニクスの冷却、高周波部品、コンフォーマル冷却の鋳造金型、カスタムインプラントなどに応用される 可能性があります。アディティブ・プラットフォームが銅素材での造形量を拡大するにつれ、あらゆる分野での採用が進むでしょう。
銅粉の種類
製造方法、特性、合金ファミリーに基づき、様々な粉末原料が利用できる：
| タイプ | 説明 | 粒子径 | 形態学 | 見かけ密度 |
|---|---|---|---|---|
| ガスアトマイズド | 不活性ガス噴霧化元素銅 | 20-63 μm | 丸みを帯びた球形 | 3-4 g/cc |
| 霧化された水 | 水に溶けた銅粒子 | 45-150 μm | 不規則、多孔質 | ∼2 g/cc |
| 電解 | 電解銅粉 | 5-200 μm | フレーク状、スポンジ状 | 1-3 g/cc |
| 合金粉末 | ガスアトマイズCuCr1Zr、CuCo2Beなど。 | 20-45 μm | 球形に近い | 3-4 g/cc |
ガスアトマイズ粉末と合金粉末は、AMのニーズに適した流動性と形状特性を持っている。
積層造形銅 構成
添加剤にはさまざまな銅素材を選択できる：
| 素材 | 合金追加 | 特徴 |
|---|---|---|
| 純銅 | – | 高導電性、ソフト |
| 真鍮 | 15-45% Zn | より強く、機械加工可能な合金 |
| ブロンズ | 5-12% Sn、 | 一部の鉛青銅で強度が向上 |
| 銅-ニッケル | 10-30% Ni | 制御された膨張、良好な耐食性 |
Pb、Fe、Sbのような微量元素は、特性と加工性を修正するのに役立ちます。特定の組成は、望ましい電気的、熱的、機械的性能の組み合わせのために調整されます。
プロパティ アディティブ・マニュファクチャリングの銅
新しい銅の AM 能力は、有用な物理的・機能的属性に基づいています：
物理的性質
| プロパティ | 純銅 | 価値 | 単位 |
|---|---|---|---|
| 密度 | – | 8.9 | g/cm3</sup |
| 融点 | – | 1085 | °C |
| 熱伝導率 | – | 385 | W/m-K |
| 電気抵抗率 | – | 1.72 x 10-6。 | オーム・シーエム |
| CTE | – | ∼17 | μm/m-K |
密度はアルミニウムと軟鋼の中間に位置し、卓越した導電性は代替金属を上回る。
機械的特性
熱処理後の合金添加により異なる：
| プロパティ | 降伏強度 | 引張強度 | 伸び | 硬度 |
|---|---|---|---|---|
| 純銅 | ∼約215MPa | ∼約280MPa | ∼35% | ∼60 HB |
| 真鍮 | ∼約450MPa | ∼約650MPa | ∼35% | ∼150 HB |
| ブロンズ | ∼約275MPa | ∼約480MPa | ∼15% | ∼120 HB |
| 銅-ニッケル | ∼約550MPa | ∼約750MPa | ∼30% | ∼180 HB |
機能属性
| パラメータ | 評価 | 単位 |
|---|---|---|
| 電気伝導度 | 素晴らしい | %IACS |
| 熱伝導率 | 素晴らしい | W/m-K |
| 耐食性 | 中程度 | – |
| 生体機能性 | 抗菌効果 | – |
| 耐熱疲労性 | グッド | サイクル |
| 減衰特性 | 非常に良い | – |
これらの特性は、AMの軽快さを活用して電気接点、リードフレーム、熱交換器などをターゲットにするのに役立つ。
製造 の 積層造形銅
市販の原料粉末製造セットアップ：
1.溶融 - 純銅のカソードは、制御された雰囲気の中で誘導溶解される。
2.霧化 - 高圧不活性ガスが溶融ストリームを微細な液滴に分解する。
3.粉体の冷却と回収 - 粉体粒子の成形と固化
4.ふるい分け - 多段階の分類により、用途に応じた画分が得られる
5.パッケージング - 不活性ガスを封入した密閉容器で保存安定性を確保
特殊合金はアトマイズの前に真空誘導溶解を受ける。スクラップのリサイクルも適切な粉末を提供します。
積層造形銅 アプリケーション
銅の AM 能力から恩恵を受ける新しい応用分野：
エレクトロニクス
優れた熱伝導性は、膨張の問題を最小限に抑えながら、パッケージからの熱除去を助けます。カスタマイズ可能な印刷ヒートシンクやシールドのような機能が実現可能になります。
電気部品
抵抗率が低いため、積層造形で製造される軽量インダクタ、バスバー、RFシールドが可能になる。
摩耗部品
AMによる表面粗さの改善は、ベアリングやブッシュなどの用途における耐摩耗性をサポートする。
自動車
電気自動車用バッテリーの熱管理に必要な薄肉熱交換器の形状は、強度と導電性を組み合わせることでメリットが得られる。
航空宇宙
ロケットエンジンのチャンバー・ジャケッティングから学んだことは、ベーパー・チャンバーのような航空機の排熱システムにも受け継がれている。
バイオメディカル
抗菌作用は、生物学的界面に合わせてカスタマイズされたインプラントや補綴物を奨励する。
積層造形銅 仕様
AM 用の銅をめぐる主な粉末の特性と測定基準：
グレード
積層造形用粉末のMPIF規格115による：
| タイプ | サイズ範囲 | 粒子形状 | 見かけ密度 | 流量 |
|---|---|---|---|---|
| ウルトラファイン | 15-25 μm | 丸みを帯びた | ≥ 2.5 g/cc | フェア |
| 非常に良い | 25-45 μm | 丸みを帯びた | ≥ 3 g/cc | グッド |
| ファイン | 45-75 μm | 丸みを帯びた | ≥ 3.5 g/cc | グッド |
| 比較的粗い | 75-100 μm | 丸みを帯びた | ≥ 4 g/cc | 非常に良い |
粒径が小さいと解像度と表面仕上げが向上し、粒径が大きいと造形速度が向上する。
規格 アディティブ・マニュファクチャリングの銅
主な粉末試験プロトコルは以下の通り：
- MPIF 115 - 粉末冶金構造部品の積層造形
- ASTM B243 - 粉末冶金銅及び銅合金粉末並びに成形品の標準試験方法
- ISO 4490 - レーザー回折法による金属粉末の粒度分布測定
- BSI PAS 139 - 金属製付加製造部品仕様書
これらは、印刷部品の再現性と信頼性を最適化するための原料品質のベンチマークに役立ちます。
積層造形銅 価格
代表的な価格、2023年
| タイプ | 価格 |
|---|---|
| ガスアトマイズド | 1kgあたり$12-18 |
| 水アトマイズド | 1kgあたり$8-12 |
| 特殊合金 | 1kgあたり$30-50 |
より高い密度分布、より小さく均一な粒子は、不規則な形態や粗いサイズよりも優れている。
長所と短所
メリット
- 非常に高い電気伝導性と熱伝導性
- 強度と延性の有用な組み合わせ
- 抗菌性表面特性
- 優れた生体機能性と生体適合性
- 動作温度における寸法安定性
- 薄い断面からの熱伝達がより速い
- 食品、液体、ガスとの接触に適する
デメリット
- 鉄系合金に比べ高温特性が劣る。
- 鉄、コバルト、ニッケル合金よりも低い硬度
- アルミニウムやマグネシウムのような軽量金属に比べて重い。
- スチール製に比べ材料費が高い
- 特定の条件下では水素脆性に敏感
独自の強みと限界を理解することで、銅がその価値を解き放つ業界全体への最適な応用が約束されます。
積層造形銅 サプライヤー
アディティブ・マニュファクチャリング用の銅粉を提供する世界有数の供給元：
| 会社概要 | 本社所在地 |
|---|---|
| サンドビック・オスプレイ | 英国 |
| 金属粉の製造 | 英国 |
| ヘガネス | スウェーデン |
| ECKA顆粒 | ドイツ |
| カイメラ・インターナショナル | アメリカ |
| 上海CNPC | 中国 |
これらの実績のある金属粉末メーカーは、現在ではカスタマイズされたグレードで、産業用 3D プリント市場からの銅の需要増に対応しています。特注の受託加工サービスにより、銅の AM 粉末原料の生産能力を拡張することができます。
よくあるご質問
| 質問 | 答え |
|---|---|
| 銅のアディティブ・マニュファクチャリングとはどういう意味ですか？ | 層状粉末熔解や指向性エネルギー析出の一環として、金属銅粉から部品を作り上げる。 |
| AM用の銅粉にはどのような種類がありますか？ | ガスアトマイズ、水アトマイズ、電解、プレアロイ黄銅、青銅粉末 |
| なぜ付加製造に銅を選ぶのか？ | 有用な強度を保ちながら、優れた電気伝導性と熱伝導性を利用する。 |
| レーザーAMプロセスに最適な銅粉の粒径は？ | 一般的に、25ミクロンから45ミクロンの極細グレードが多い。 |
| アズプリントの銅部品には、どのような後処理が必要ですか? | 熱間静水圧プレスにより約100%の密度を達成し、その後熱処理により最適なミクロ組織を得る。 |
| UNS 規格は積層造形用の銅等級をカバーしていますか？ | はい、CuCr1Zr合金のUNS C87850 のような他の純銅のためのUNS C10100です。 |
| 付加製造された銅部品の表面仕上げを改善するには？ | 微粉末サイズ、最適化された層厚、ポストマシニング、電気メッキの組み合わせ |
| 銅粉の取り扱いについて、特別な安全上の注意はありますか？ | はい、空気中への微粉の飛散を避けるための対策とともに、適切な人体保護具を推奨します。 |
概要
アディティブ・マニュファクチャリングは銅部品の製造の柔軟性を著しく拡大し、新しい形状を解放し、電子、電気、熱 管理の各領域で軽量の多機能アセンブリを可能にします。粉末の品質が支持され、従来の製造方法と同等の信頼できる機械的性能を持つようになれば、より大きな基幹部品が商業的規模で AM の生産性を採用することになるでしょう。
有望なCuCrZrとCuCoの能力から外挿された新しい合金バリエーションは、宇宙用途の未知の特性の組み合わせを示唆している。一方、医療のような高価値の分野では、バイオの機能性を活用し、カスタマイズされた熱交換器やインプラントが AM で作られることになります。こうしてユビキタス銅は、粉末冶金や指向性エネルギー蒸着の汎用性を背景に、有用な導電性を持つ複雑な形状を利用することで、 新たな領域に足を踏み入れることになります。
Frequently Asked Questions (Advanced)
1) What laser wavelength and optics work best for Additive Manufacturing Copper?
- Pure copper reflects most 1.07 µm fiber laser energy; green (515–532 nm) or blue (445–470 nm) lasers markedly improve absorptivity and melt stability. If using IR, employ higher power density, tight focus, and preheat; for CuCr1Zr, IR can be viable with optimized gas flow and scan strategies.
2) How can I reduce warping and delamination when printing pure copper via PBF?
- Use platform preheat (150–300°C), balanced scan vectors, smaller islands (2–5 mm), reduced contour speed, and adequate heat extraction via baseplate thickness. Maintain consistent argon flow to prevent spatter redeposition and ensure uniform layer packing.
3) What densities and conductivities are realistic for AM copper today?
- L-PBF with green lasers: 99.0–99.8% density; electrical conductivity 85–100% IACS for oxygen-free grades after stress relief/HIP. Binder jetting + sinter/HIP: 97–99.5% density; conductivity typically 70–90% IACS depending on residual porosity and oxygen.
4) When should I choose CuCr1Zr over pure copper for AM?
- Choose CuCr1Zr for higher strength and creep resistance in thermal tooling and conformal-cooled molds, where conductivity trade-off is acceptable (typically 70–85% IACS) and IR-laser PBF is desired. Use pure copper for RF, busbars, and heat exchangers where maximum conductivity is critical.
5) What post-processing steps most improve thermal performance in AM copper parts?
- HIP to close internal porosity, solution/aging (for CuCr1Zr), surface polishing/electropolishing to reduce boundary resistance, and copper electroplating of internal channels where accessible. Vacuum stress relief reduces residual resistivity from dislocations.
2025 Industry Trends
- Laser ecosystems mature: Green/blue laser PBF platforms become mainstream for Additive Manufacturing Copper, improving first-pass yield for pure Cu and CuCr1Zr.
- Binder jetting growth: Debind/sinter/HIP workflows deliver near-net copper with high throughput for heat sinks and motor components.
- Design for conduction: TPMS lattices and vapor-chamber-inspired architectures enable 15–30% better heat rejection at equal mass.
- Supply chain and sustainability: Increased recycled content (≥50%) and EPDs; powder reuse extended with in-line O/N monitoring.
- RF and e-mobility: Printed waveguides, antennas, and high-current busbars move from prototyping to low-rate production.
2025 Additive Manufacturing Copper Snapshot
| メートル | 2023 Baseline | 2025 Estimate | Notes/Source |
|---|---|---|---|
| Share of PBF copper builds using green/blue lasers | ~20–30% | 50–65% | OEM platform adoption |
| Typical density (pure Cu, green-laser PBF) | 98.5–99.5% | 99.0–99.8% | Process stability, gas flow |
| Conductivity after HIP (pure Cu) | 80–95% IACS | 85–100% IACS | Oxygen control, stress relief |
| Binder-jetted Cu density (post-HIP) | 96–98.5% | 97–99.5% | Optimized sinter/HIP cycles |
| CuCr1Zr PBF tensile strength (aged) | 380–460 MPa | 420–520 MPa | Heat treatment refinements |
| Avg. PBF-grade pure Cu powder price (15–45 µm) | $35–55/kg | $30–50/kg | Scale + recycling |
Selected references:
- ASTM and ISO AM standards — https://www.astm.org | https://www.iso.org
- NIST AM Bench datasets — https://www.nist.gov/ambench
- Copper Alliance technical resources — https://copperalliance.org
- Wohlers/Context AM market data — https://wohlersassociates.com | https://www.contextworld.com
Latest Research Cases
Case Study 1: Pure Copper TPMS Heat Exchangers via Green-Laser PBF (2025)
- Background: Electronics OEM required compact heat exchangers with superior thermal performance over machined copper blocks.
- Solution: Printed pure Cu with 40 µm layers, gyroid TPMS core, optimized gas flow and small-island scan; HIP and vacuum stress relief; internal channels electropolished.
- Results: Density 99.6%; thermal conductivity 390–400 W/m·K; 22% lower thermal resistance at equal ΔP versus drilled block; mass −28%. Sources: ASME InterPACK 2025; OEM white paper.
Case Study 2: CuCr1Zr Conformal-Cooled Injection Molds with IR-Laser PBF (2024)
- Background: Moldmaker sought cycle-time reduction and longer tool life for glass-filled nylon parts.
- Solution: CuCr1Zr inserts with conformal channels; PBF using IR fiber laser, 50 µm layers; solution + aging; abrasive flow machining of channels.
- Results: Cycle time −18%; hotspot peak temperature −25–30°C; insert life +30% before refurbishment; dimensional stability maintained over 250k shots. Sources: CIRP Annals 2024; industry application note.
専門家の意見
- Dr. Laura Ely, VP Materials Engineering, Velo3D
- Viewpoint: “For Additive Manufacturing Copper, stable gas dynamics and scan strategy are as important as laser wavelength—both dictate melt pool quality and conductivity outcomes.”
- Prof. Thomas E. Turner, RF Systems Engineer and Adjunct, Georgia Tech
- Viewpoint: “Printed copper waveguides and antenna manifolds are now competitive in X/Ku bands when internal roughness is controlled; electropolishing is the difference-maker.”
- Dr. Ian Gibson, Professor of Additive Manufacturing, University of Twente
- Viewpoint: “Design-led gains—TPMS cores and conformal thermal paths—yield bigger wins in copper AM than chasing marginal density improvements.”
Practical Tools/Resources
- Standards and qualification
- ASTM F3318 (metal PBF practices), F3333/F3571 (testing) — https://www.astm.org
- ISO/ASTM 52900 series (AM fundamentals, processes) — https://www.iso.org
- Material data and selection
- Copper Alliance design guides — https://copperalliance.org
- Matmatch, Granta MI for copper/CuCr1Zr datasets — https://matmatch.com | https://www.grantami.com
- Simulation and build prep
- Ansys Additive, Hexagon Simufact, Autodesk Netfabb — https://www.ansys.com | https://www.hexagon.com | https://www.autodesk.com
- Metrology and finishing
- Volume Graphics VGStudio MAX (CT), electropolishing process notes — https://www.volumegraphics.com
- Research literature
- Additive Manufacturing journal; ASME InterPACK proceedings — https://www.sciencedirect.com/journal/additive-manufacturing | https://event.asme.org
Last updated: 2025-10-17
Changelog: Added advanced FAQ tailored to Additive Manufacturing Copper, 2025 market/performance snapshot with data table and references, two recent case studies (pure Cu TPMS heat exchangers; CuCr1Zr conformal-cooled molds), expert viewpoints, and practical tools/resources aligned with E-E-A-T
Next review date & triggers: 2026-04-30 or earlier if green/blue laser adoption exceeds 70%, binder-jetted copper routinely reaches ≥99.5% density at production scale, or copper powder pricing shifts >10% due to cathode market volatility
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MET3DP Technology Co., LTDは、中国青島に本社を置く積層造形ソリューションのリーディングプロバイダーです。弊社は3Dプリンティング装置と工業用途の高性能金属粉末を専門としています。
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