3D afdrukken van koperpoeder

Overzicht van 3D afdrukken van koperpoeder

Koperpoeder voor 3D printen is een metaalpoeder gemaakt van puur koper of koperlegeringen dat wordt gebruikt als grondstof in verschillende 3D printtechnologieën voor de productie van koperen onderdelen en producten voor eindgebruik.

Enkele belangrijke eigenschappen en voordelen van 3D printen met koperpoeder zijn:

• Hoge elektrische en thermische geleidbaarheid gewenst voor elektronicatoepassingen
• Zeer hoge bewerkbaarheid voor goede afwerking en nabewerking
• Uitstekende mechanische eigenschappen zoals sterkte en vervormbaarheid
• Corrosiebestendigheid door de vorming van een beschermende koperoxidelaag
• Biocompatibel voor medische apparatuur en implantaten
• Kostenvoordeel ten opzichte van conventionele koperbewerking

Verschillende metalen 3D printprocessen maken meestal gebruik van koperpoeder:

Typen 3D printen met koperpoeder

3D printtechnologie	Beschrijving
Binder jetting	Lijmt koperpoeder met vloeibare bindmiddelen
Gerichte energiedepositie (DED)	Gebruikt laser- of elektronenbundel om koperpoeder te smelten
Selectief lasersmelten (SLM)	Selectief lasersmelten en smelten van koperpoederbed

Met deze additieve productietechnieken kunnen complexe geometrieën worden gemaakt met koper die niet haalbaar zijn met gieten of machinaal bewerken. Onderdelen kunnen op aanvraag worden gemaakt zonder gereedschap of mallen.

Laten we nu dieper ingaan op koperkwaliteiten voor 3D printen, eigenschappen, toepassingen, specificaties, prijzen, vergelijkingen en meer.

Samenstelling van 3D afdrukken van koperpoeder

Er zijn een paar hoofdtypen kopermetaalpoeders die gebruikt worden bij additieve productie:

Samenstellingen van koperpoeder voor 3D-printen

Poeder soort	Typische compositie
Zuiver Koper	99,7% Cu minimaal
Koper-tin legering	Cu-10Sn bronslegering
Koper-nikkellegering	90H-10Ni of 70H-30Ni

Kenmerken van 3D-geprinte onderdelen van puur koper

• Uitstekende elektrische geleiding voor elektronica
• Kneedbaar materiaal dat nabewerking mogelijk maakt
• Gloeien kan de vervormbaarheid verder verbeteren
• Lage hardheid bij 100 HV na het printen

Pluspunten

• Hoogste thermische en elektrische geleidbaarheid
• Gemakkelijk te bewerken, platen, coaten na de bouw
• Biocompatibel voor medisch gebruik
• Lassen van ongelijksoortige metalen is vereenvoudigd

Nadelen

• Zachte texturen en kenmerken met lage sterkte
• Risico op delaminatie tussen lagen
• Oxidefilmvorming gevoelig voor vervuiling

Kenmerken van 3D-geprinte Cu-Sn bronzen onderdelen

• Betere mechanische eigenschappen met tinlegeringen
• Tot dubbele hardheid en sterkte
• Beweeg slijtvaste oppervlakteafwerking
• Hogere temperatuurbestendigheid

Pluspunten

• Sterkere onderdelen die bestand zijn tegen vervorming
• Geschikt voor het printen van fijne details en texturen
• Kleine hoeveelheden tin verbeteren de eigenschappen
• Goede corrosiebestendigheid

Nadelen

• Lagere thermische en elektrische geleidbaarheid
• Hogere dichtheid verhoogt gewicht
• Nog steeds steunen nodig tijdens het afdrukken

Kenmerken van 3D-geprinte Cu-Ni gelegeerde onderdelen

• Uitstekende combinatie van sterkte plus geleidbaarheid
• Behoudt hoge vervormbaarheid en thermische eigenschappen
• Voegt hardheid toe voor slijtagebescherming
• Soldeert goed met andere koperen componenten

Pluspunten

• Afstembare eigenschappen met balans tussen sterkte, hardheid en geleidbaarheid
• Sterke onderdelen die stress kunnen weerstaan
• Alleen 10% nikkel verdubbelt de vloeigrens
• Lager smeltpunt biedt voordelen bij printen op lagere temperaturen

Nadelen

• Niet biocompatibel voor medische apparatuur
• Nikkel kan galvanische corrosie initiëren
• Hogere materiaalkosten dan zuiver koper

Toepassingen van 3D-geprint koper

Dankzij de veelzijdige materiaaleigenschappen wordt 3D printen met koperpoeder gebruikt in verschillende industrieën:

Toepassingen van 3D-printkoperen poeder

Industrie	Veel voorkomende toepassingen
Elektronica	Interconnects, contacten, klemmen, EMI-afscherming
Elektrisch	Busrails, rotorwikkelingen, elektromagneten
Warmtewisselaars	Koellichamen, verdampers, condensors
Automobiel	Lasdoppen, bussen, lagers
Architectuur	Decoratieve gevels, panelen, modellering
Medisch	Elektroden, GROENEN, implantaten, chirurgisch gereedschap

Enkele specifieke productvoorbeelden zijn:

Elektronica: Geleidende sporen, draden, antennes, batterijen, sensoren

Automobiel: Lichtbehuizingen, snelkoppelingen, inzetstukken met schroefdraad

Lucht- en ruimtevaart: Beugels, koppelregelingsonderdelen, radiohardware

Consumptiegoederen: Knopen, sluitingen, ritsen, decoratieve onderdelen

Hardware: Tandwielen, sloten, veren, bevestigingsmiddelen zoals bouten en moeren

Door de eigenschappen van koper te gebruiken bij 3D-printen, ontstaan innovatieve geometrieën die onmogelijk zijn met subtractieve methoden en die de functionaliteit en efficiëntie kunnen verbeteren.

Specificaties van Koper Metaalpoeder voor 3D afdrukken

Fabrikanten van 3D-printers karakteriseren koperpoeder op basis van meetwaarden zoals:

Specificaties koperpoeder voor 3D afdrukken

Parameter	Typisch specificatiebereik
Poedervorm	Overwegend bolvormig
Maatbereik	15-45 micron
Min schijnbare dichtheid	3,5 g/cm3
Typische laagdikte	20-100 micron
Stroomsnelheid	>=25 sec voor 50 g
Resterende zuurstof	Maximaal 0,3%

Andere belangrijke poedermetingen:

• Tik op dichtheid: Na bezinking tussen 4-4,5 g/cm3
• Debiet van de hal: Tijd tot 50g poeder door de trechteropening stroomt
• Hausner verhouding: De tapdichtheid gedeeld door de schijnbare dichtheid geeft de vloeibaarheid aan

Smalle verdeling zorgt voor een dichte en gelijkmatige poederverdeling tijdens het printen. Laag zuurstofgehalte voorkomt overtollige oxiden die de laaghechting belemmeren.

Prijzen, leveranciers en vergelijkingen van kopermetaalpoeder

De kosten van koperpoeder fluctueren op basis van marktprijzen, samenstelling, hoeveelheid en locatie van de bron:

Vergelijking van de kosten van koperpoeder

Type	Gemiddelde prijsklasse	Belangrijkste leveranciers
Zuiver koper	$50-80 per kg	AP&C, Sandvik Osprey, Carpenter Additief
Cu-10Sn brons	$55-90 per kg	ECKA Korrels, BASF Additive Mfg, LPW Technologie
CuNi10 legering	$65-105 per kg	Linde, Arconic onderdelen, Praxair

Door zeer zuivere kwaliteiten te kopen van gecertificeerde metaalpoederfabrikanten ben je verzekerd van betrouwbare kwaliteit. Leveranciers in het buitenland bieden goedkopere opties, maar kunnen een gebrek aan consistentie hebben.

Houd bij het vergelijken van koperpoedermaterialen voor een printopdracht rekening met het volgende:

Voor- en nadelen van verschillende koperpoeders

Type	Pluspunten	Nadelen
Zuiver koper	Hoogste thermische/elektrische prestaties<br>Laagste kosten	Zachte onderdelen die gevoelig zijn voor slijtage<br>Risico op delaminatie
Cu-bronslegering	Sterkere onderdelen<br>Betere resolutie voor fijne details	Zwaardere componenten<br>Lagere geleidbaarheid
Koper-nikkel	Uitgebalanceerde sterkte plus geleidbaarheid <br>Gecontroleerde wrijving/slijtage	Niet bio-compatibel<br>Moeilijker te bewerken

SamengevatZuiver koper is geschikt voor elektronica en legt de nadruk op geleidbaarheid en vervormbaarheid tegen lage kosten, terwijl legeringen beter voldoen aan mechanische eisen met hogere sterkte en hardheid.

Afdrukparameters, drempelwaarden en aanbevelingen

Het instellen van optimale afdrukinstellingen is de sleutel tot succesvol gebruik van koperpoeder:

Instellingen afdrukprofiel voor koperpoeder

Parameter	Typisch bereik	Aanbevelingen
Laagdikte	20-100 micron	Dunnere lagen verbeteren de hechting tussen de lagen
Laservermogen (voor SLM)	100-500 W	Hogere dichtheid en bevochtiging bij hoger vermogen
Scansnelheid	100-500 mm/s	Hogere snelheden verminderen de warmte-inbreng en restspanning
Grootte van de straal	20-100 micron	Laserdiameter dicht bij laagdikte
Ondersteunende structuren	Boomachtige	Voorkom kromtrekken en verwijder dit door nabewerking
Afschermingsgas	Argon of stikstof	Voorkom oxidatie tijdens het bouwen
Bouwplaatverwarming	50-250°C	Koellichaam eenmaal aangebracht als koeling te snel gaat
Verlichting van stress	1 tot 3 uur gloeien op 400 °C	Restspanningen verminderen om de integriteit van de laag te bevorderen
Heet isostatisch persen	1000-10000 psi bij 500-950°C	Verhoog de dichtheid door holtes in te klappen
Oppervlakteafwerking	Tuimelen, machinaal bewerken, slijpen, polijsten enz.	Oppervlakteruwheid gladmaken

Het monitoren van de smeltbadgrootte en -temperaturen helpt bij het real-time kalibreren van laserparameters. Stem de energie-input af op het printgebied om een goede samensmelting te bereiken zonder overmatige verhitting.

Voor onderdelen van hoge kwaliteitThermisch beheer is essentieel, evenals het verminderen van restspanningen door middel van strategische verwarmings-/koelcycli tijdens het printen en warmtebehandelingen na de bouw. Gebruikmaken van standaard metaalbewerkings-/verspaningsmethoden voor het afwerken van geprinte koperen onderdelen.

Industriële standaarden voor 3D printen met metaalpoeders

Normenorganisaties voor metaal additief produceren

Organisatie	Relevante Metal AM-standaarden
ASTM International	F3049, F2971, F3184, F3301 enz. voor vervormbare legeringen, procesvereisten, kwaliteiten
Internationale Organisatie voor Standaardisatie (ISO)	ISO/ASTM 52915, 52921 voor ontwerp, processen, testen
SAE Internationaal	AMS7001A Ruimtevaart materiaal- en processpecificaties
Amerikaanse vereniging van werktuigbouwkundigen (ASME)	BPVC Sectie IX Lasvoorschriften
Nationaal instituut voor standaarden en technologie (NIST)	Referentie koperpoedergegevens en meetwetenschap
Internationale Elektrotechnische Commissie (IEC)	IEC 62890 benchmarking van fusieprocesprestaties van metaalpoederbed

Deze delen best practices en kwantificeren herhaalbare prestatiecriteria om onderdelen te kwalificeren voor eindgebruik.

Voor onderdelen voor lucht- en ruimtevaartEr moet ook worden voldaan aan aanvullende CAA- en FAA-normen. Automobiel onderdelen verwijzen ook naar UL, A2LA, NADCAP specificaties.

In toepassingen voor medische apparatuurVoldoen aan de FDA- en CE-voorschriften is verplicht voordat het product op de markt wordt gebracht om biocompatibiliteit en patiëntveiligheid te garanderen.

Over het algemeen synchroniseren standaarden de technologische ontwikkeling in de hele metaaladditive manufacturing industrie.

Veelgestelde vragen

V: Hoe kies ik de juiste koperlegering voor mijn toepassing?

A: Bij de meeste producten ligt de nadruk op sterkte, hardheid en slijtvastheid of thermische/elektrische geleidbaarheid. Door de legeringselementen zoals tin of nikkel daarop af te stemmen, kunnen de eigenschappen op maat worden geoptimaliseerd.

V: Moet koperpoeder tijdens het printen worden afgeschermd met inert gas?

A: Ja, het verhitten van koperpoeder tot hoge temperaturen veroorzaakt oppervlakteoxidatie waarbij legeringselementen verloren gaan. Afscherming met argon of stikstof voorkomt overmatig materiaalverlies.

V: Wat veroorzaakt barsten tussen lagen bij het 3d printen van koper?

Antwoord: Verschillende koelsnelheden plus krimp van de legering kunnen spanningen introduceren die leiden tot scheurtjes tussen de lagen. Betere thermische controles tijdens het bouwen en spanningsverminderende warmtebehandelingen na het proces verminderen deze defecten.

V: Waarom heeft mijn 3d geprinte koperen onderdeel een slechte oppervlakteafwerking en textuur?

A: Onvoldoende smelten van poederdeeltjes door laag laservermogen veroorzaakt poreuze ongelijkmatige texturen die uitgebreide nabewerking vereisen. Drukkalibratie, voldoende laagoverlap en een hogere energiedichtheid verbeteren de oppervlaktekwaliteit.

V: Is direct metaal printen met koperpoeder erg duur?

A: Ja, zowel de systeemkosten van de printer die meer dan $100.000 bedragen plus de recursieve metaalpoederaankopen maken het onbetaalbaar voor kleine producties. De kosten per onderdeel dalen echter aanzienlijk bij grote producties omdat er geen gereedschap nodig is.

ken meer 3D-printprocessen