โลหะผสมทองแดงเหมาะสำหรับการพิมพ์ 3 มิติของระบบหล่อเย็นแม่พิมพ์หรือไม่

1. ประโยชน์ด้านประสิทธิภาพหลักของโลหะผสมทองแดงคือสามารถนำความร้อนและต้านทานความร้อนได้ในเวลาเดียวกัน
สิ่งสำคัญที่สุดที่ระบบหล่อเย็นของแม่พิมพ์ต้องทำคือกำจัดความร้อนอย่างรวดเร็ว และสามารถทำงานได้ในการตั้งค่า-ความดันและอุณหภูมิสูง- โลหะผสมทองแดงเป็นวัสดุที่ดีเยี่ยมสำหรับระบบระบายความร้อนด้วยการพิมพ์ 3 มิติ เนื่องจากมีคุณสมบัติทางกายภาพที่ยอดเยี่ยม
ค่าการนำความร้อนสูงมาก: ทองแดงบริสุทธิ์มีค่าการนำความร้อน 401 W/(m · K) ซึ่งมากกว่าเหล็กกล้าแม่พิมพ์ 8 ถึง 10 เท่า แม้หลังจากผ่านการบำบัดด้วยโลหะผสม (เช่น โลหะผสม CuCrZr) ค่าการนำความร้อนจะยังคงอยู่ระหว่าง 200 ถึง 300 W/(m · K) ซึ่งสูงกว่าวัสดุทำความเย็นมาตรฐานมาก คุณสมบัตินี้ช่วยให้ระบบระบายความร้อนโลหะผสมทองแดงกำจัดความร้อนของแม่พิมพ์ได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งจะทำให้วงจรการขึ้นรูปสั้นลง หลังจากใช้ช่องระบายความร้อนด้วยการพิมพ์ 3 มิติโลหะผสมทองแดงสำหรับแม่พิมพ์กันชนรถยนต์บางรุ่น เวลาที่ใช้ในการทำชิ้นส่วนหนึ่งชิ้นก็เพิ่มขึ้นจาก 18 วินาทีเหลือ 12 วินาที และปริมาณพลังงานที่ใช้ก็ลดลง 22%
ความต้านทานต่อความล้าจากความร้อน: อุณหภูมิพื้นผิวของแม่พิมพ์เปลี่ยนแปลงได้มากในสถานการณ์ที่มีแรงดันและความเร็วสูง โลหะผสมทองแดงทนทานต่อความล้าจากความร้อนได้ดีกว่าเหล็กกล้ามาก และค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนก็เข้ากันได้ดีกับเหล็กกล้าแม่พิมพ์ ซึ่งจะช่วยลดโอกาสที่จะเกิดการแตกร้าวเนื่องจากความเครียดจากความร้อน หลังจากผ่านไป 10,000 รอบที่อุณหภูมิสูงถึง 600 องศา ข้อมูลการทดลองแสดงให้เห็นว่าโลหะผสม CuCrZr ยังคงมีกำลังเริ่มต้นมากกว่า 90% อายุการใช้งานยาวนานกว่าแม่พิมพ์ทั่วไปถึงสามเท่า
โลหะผสมทองแดงมีความทนทานต่อคลอไรด์ไอออน ซัลไฟด์ และสารกัดกร่อนอื่นๆ ในน้ำหล่อเย็นตามธรรมชาติ เหมาะอย่างยิ่งสำหรับสถานการณ์ที่มีฤทธิ์กัดกร่อน เช่น วิศวกรรมกองทัพเรือและแม่พิมพ์เคมี การเติมนิกเกิล เซอร์โคเนียม และองค์ประกอบอื่นๆ ในปริมาณเล็กน้อยจะทำให้ทนทานต่อการกัดกร่อนได้มากขึ้น และช่วยให้ระบบทำความเย็นมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น
2. 3ความสามารถในการปรับตัวของกระบวนการพิมพ์: การเอาชนะข้อจำกัดของการผลิตแบบเดิมๆ
การประมวลผลโลหะผสมทองแดงแบบดั้งเดิมมีปัญหาหลักสองประการ ประการแรก ค่าการนำความร้อนสูงของสระหลอมเหลวทำให้สูญเสียความร้อนอย่างรวดเร็ว ซึ่งอาจทำให้เกิดข้อบกพร่อง เช่น การหลุดร่อนและการม้วนงอ; ประการที่สอง การสะท้อนแสงสูง (สูงถึง 98% สำหรับเลเซอร์ 1064 นาโนเมตร) ทำให้ยากต่อการใช้เทคโนโลยี SLM ทั่วไป นวัตกรรมด้านกระบวนการช่วยให้เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติเอาชนะปัญหาหลายประการ:
เทคโนโลยีเลเซอร์สีเขียว SLM: เลเซอร์สีเขียวความยาวคลื่น 515 นาโนเมตรจะเพิ่มอัตราการดูดกลืนแสงสีเขียวของทองแดงเป็น 40% ซึ่งสูงกว่าเลเซอร์อินฟราเรดใกล้-ถึง 8 เท่า อุปกรณ์รุ่นสีเขียว TruPrint 5000 จากบริษัท Tongkuai ของเยอรมนี สามารถพิมพ์เครื่องเร่งปฏิกิริยาสี่ขั้ว RF ทองแดงบริสุทธิ์ที่มีความหนาแน่น 99.95% และค่าการนำไฟฟ้าที่ 100% IACS ด้วยการปรับจุดรวมศูนย์ (25 μm) และวิธีการสแกน เทคโนโลยีนี้ทำให้การพิมพ์โลหะผสมทองแดงมีประสิทธิภาพมากกว่าวิธีการที่มีอยู่ถึงสามเท่า
เทคโนโลยีการหลอมลำแสงอิเล็กตรอน (EBM) ใช้ลำแสงอิเล็กตรอนเป็นแหล่งความร้อนเพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาที่มีการสะท้อนแสงสูงและบรรยากาศสุญญากาศเพื่อหยุดทองแดงไม่ให้ออกซิไดซ์ ความหยาบผิว Ra ของชิ้นส่วนโลหะผสมทองแดงที่พิมพ์โดย EBM น้อยกว่าหรือเท่ากับ 6.3 μm ซึ่งหมายความว่าอาจนำไปใช้งานได้ทันทีสำหรับแม่พิมพ์ที่มีความแม่นยำโดยไม่ต้องมีขั้นตอนเพิ่มเติมใดๆ แต่เทคโนโลยีนี้มีค่าใช้จ่ายสูงในการตั้งค่า และสำหรับตอนนี้ส่วนใหญ่จะใช้ใน-พื้นที่ระดับสูง เช่น การบินและอวกาศ
การสะสมพลังงานด้วยเลเซอร์โดยตรง (LP-DED): ปัญหา "เม็ดบีดเชื่อม" ในการผลิตสารเติมแต่งโลหะผสมทองแดงได้รับการแก้ไขโดย "การเพิ่มพลังงานเลเซอร์" เมื่อพิมพ์โลหะผสม CuCrZr ทีมวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีแห่งชาติอินเดียใช้พลังงานต่ำ 200W สำหรับสามชั้นแรกเพื่อให้แน่ใจว่าวัสดุเหล่านั้นติดอยู่กับวัสดุพิมพ์ จากนั้นพวกเขาก็เพิ่มกำลังเป็น 1,000W เพื่อให้ตรงกับค่าการนำความร้อนของวัสดุ ซึ่งนำไปสู่ความหนาแน่น 97.47% และค่าการนำความร้อน 168.3 W/(m · K)
3. ตัวอย่างวิธีการทำงานของอุตสาหกรรม: จากห้องปฏิบัติการไปยังสายการผลิต
โรงงานในเซี่ยงไฮ้ของ Tesla ใช้ระบบระบายความร้อนโลหะผสมทองแดงที่พิมพ์แบบ 3 มิติ-เพื่อซ่อมแม่พิมพ์ฉีดขึ้นรูปขนาดใหญ่-ในอุตสาหกรรมแม่พิมพ์ยานยนต์ ใช้เวลาเพียง 72 ชั่วโมงในการแก้ไขความเสียหายของเชื้อราและทำให้การผลิตกลับมาดำเนินการได้ ซึ่งเร็วกว่ากระบวนการซ่อมแซมปกติถึง 90% การออกแบบการระบายความร้อนที่สอดคล้องทำให้อุณหภูมิของแม่พิมพ์เพิ่มขึ้นถึง 80% และอัตราคุณสมบัติของผลิตภัณฑ์เพิ่มขึ้นจาก 92% เป็น 98%
ผู้ผลิตโทรศัพท์มือถือรายหนึ่งใช้การพิมพ์ 3 มิติโลหะผสมทองแดงเพื่อสร้างแม่พิมพ์ทดลองผลิตอย่างรวดเร็ว ซึ่งช่วยลดเวลาในการพัฒนาอุปกรณ์ใหม่จาก 18 เดือนเหลือ 12 เดือน วงจรน้ำหล่อเย็นมีโทโพโลยี-โครงสร้างที่ได้รับการปรับปรุงซึ่งทำให้การส่งผ่านความร้อนดีขึ้น 120% ที่กำลังปั๊มเท่าเดิม ซึ่งจะช่วยลดโอกาสที่ผลิตภัณฑ์จะบิดเบี้ยวหรือเสียรูปได้อย่างมาก
ในพื้นที่การบินและอวกาศ Ursa Major ได้สร้างห้องเผาไหม้จรวด-ด้วยการพิมพ์ 3 มิติ{2}}ด้วยทองแดงห้องแรก การออกแบบช่องระบายความร้อนแบบบูรณาการช่วยลดอุณหภูมิของผนังห้องเผาไหม้ลง 300 องศา และน้ำหนักลง 40% ชิ้นส่วนนี้สร้างจากโลหะผสม CuCrZr และได้รับการทดสอบ 1,000 ครั้งที่ความดัน 6MPa โดยไม่แตกหัก ซึ่งพิสูจน์ได้ว่าโลหะผสมทองแดงที่พิมพ์ด้วย 3D มีความน่าเชื่อถือในสภาวะที่ไม่เอื้ออำนวย