铜以其延展性而闻名，是金属3D打印机看似理想的打印材料。此外，金属表现出仅次于银的导热率水平，并且高导电性使其适用于工业应用。
铜金属3D打印技术主要被应用在航空、国防领域，美国Aerojet Rocketdyne研发的RL10液氢燃料火箭发动机中就使用了3D打印的铜合金推力室部件。美国航天局NASA 在铜质发动机燃烧室内衬3D打印方面也取得了突破，打印材料为GRCo-84铜合金。
由于铜的导热性和反射性极佳，这使得铜金属在3D打印机内部难以操作。虽然当前选择性激光熔化（SLM）3D打印技术可以用于制造铜金属粉末材料。但是铜金属在激光熔化的过程中，吸收率低，激光难以持续熔化铜金属粉末，从而导致成形效率低，冶金质量难以控制等问题。此外，铜的高延展性给去除多余粉末这样的后处理工作增加了难度。
“根据表面性质的不同，”Fraunhofer ILT快速制造集团研究员Daniel Heussen解释说，“纯铜在常规使用的1μm激光波长中反射高达90％的激光辐射能量。”
为了解决铜对激光的高反射问题，Heussen和他的同事们正在推出“SLM绿色”项目，旨在改变3D打印机在铜粉末床上加工所遇到的挑战。
在新一代RL10发动机研制过程中，Aerojet Rocketdyne 使用粉末床选择性激光熔化3D打印技术制造了铜合金推力室部件。这个3D打印部件与2017年4月通过了美国Defense Production Act Title III项目管理办公室进行的点火测试。相比传统的制造工艺，选择性激光熔化3D打印技术为推力室的设计带来了更高的自由度，使设计师可以尝试具有更高热传导能力的先进结构。而增强的热传导能力使得火箭发动机的设计更加紧凑和轻量化，这正是火箭发射技术所需要的。但Aerojet Rocketdyne在获得这个铜合金推力室部件的过程中也遇到了不小的挑战，铜金属在激光熔化的过程吸收率低，激光难以持续熔化铜金属粉末，从而导致成形效率低，冶金质量难以控制。Aerojet Rocketdyne所遇到的挑战也寄希望于Fraunhofer ILT“SLM绿色”项目得到解决。
图片：Fraunhofer ILT采用新的激光器所打印的铜零件
与现有方法相比，“SLM绿色”项目旨在“显着提高细节分辨率以及更高的成本效益”。最具特色的是激光的颜色是绿色的。
根据Fraunhofer ILT，当前的粉末床激光熔化技术所采用的激光器通常在光的红外光谱范围内运行，这就是为什么铜的低吸收率会发生，而且光的能量不能有效地熔化铜金属。
在绿色激光器中，与1μm波长的波长相比更短，波长在515nm。根据ILT“这意味着更少的激光功率输出，此外，激光束可以更精确地聚焦，使其能够使用新的SLM工艺制造更加精细的部件。”
根据Heussen，“Fraunhofer ILT正在创建更均匀的熔池动力学，以便建立高材料密度的组件，并获得更高的细节分辨率。”
该项目预计将在2019年中竣工，由德国工业研究协会联合会（AiF）资助。
3D科学谷REVIEW
3D打印铜合金零部件是航空制造业所重视的领域。根据3D科学谷的市场研究，美国航天局NASA 在铜质发动机燃烧室内衬3D打印方面也取得了突破，打印材料为GRCo-84铜合金，它是在NASA在俄亥俄州的Glenn研究中心开发出来的一种铜合金，打印工艺也是选择性激光熔化。燃烧室衬里的3D打印总共为8255层，仅这一个部件打印时间为10天零18个小时。这个铜合金燃烧室零部件内外壁之间具有200多个复杂的通道，制造这些微小的、具有复杂几何形状的内部通道，即使对增材制造技术来说也是一大挑战。在国内，西安铂力特已研制出针对难熔金属和高导热、高反射金属的3D打印工艺，突破了铜材料的激光成形技术，实现了复杂流道的铜材料制造工艺，成功制备出3D打印铜合金尾喷管。
关于3D打印铜合金的更多应用，请参考3D科学谷发布的《3D打印与航天制造业白皮书》。
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