实现致密度超99.5%的高性能纯铜3D打印，西空智造EBM技术新突破

南极熊导读：铜及铜合金产品作为核心导电、导热材料，广泛应用于电子信息、汽车、电力、散热、航空航天及新能源等领域。随着这些行业的迅猛增长，应用端对于复杂结构零部件的需求逐年增加，传统加工工艺已无法满足需求，3D打印纯铜及铜合金复杂零部件受到了越来越多的关注。

电子束选区熔化（Electron Beam Melting，简称EBM）技术是上世纪90年代发展起来的一种金属制造技术。在真空环境中利用高能电子束流熔化金属粉末，通过逐层熔化最终实现零部件的成形。该技术具有能量密度高、成形应力小、能量吸收率高、扫描速度快、真空环境等突出优势，特别适合成形钛铝合金、钨及钨合金等硬脆、难熔材料，并且对于铜、金、银、镁、铝等高反射材料的吸收率达90%以上，在航天航空、军工、生物医疗、汽车等领域具有广泛的应用前景。

相对于激光选区熔化技术（SLM）而言，电子束选区熔化技术（EBM）成形纯铜及铜合金复杂零部件具有能量利用率高、熔深好等优点，是重点关注的直接3D打印方向。

一、激光选区熔化（SLM）成形纯铜及铜合金面临的挑战
（1）反射率高：铜对红外波段的激光（如常用的1064nm波长光纤激光器）反射率极高，可达95%左右，这意味着大部分激光能量被反射，而不是被吸收用于熔化粉末，导致能量利用率低、热输入不足、工艺不稳定、成形困难，尤其对高纯度的纯铜更是如此。

（2）激光振镜损伤大：铜的高反射率会对激光器激光振镜光学镜面、腔室等造成严重损坏，难以大批量生产。

二、电子束选区熔化（EBM）成形纯铜及铜合金的优势
（1）反射率低：电子束是带电粒子流，不受光学反射率的影响，可以非常高效地将能量注入铜粉末中，导致能量利用率高、热输入充足、产品致密度高，从而实现稳定、可控的熔化过程，适合加工铜等高反射率零件；

（2）真空度高：EBM工艺全程在高真空环境（约10-3Pa）下进行，真空环境有效防止了纯铜或铜合金粉末在高温下的氧化，保证了粉末极低的杂质和氧含量，同一批次粉末可多次循环使用；

（3）残余应力小：因为EBM随层预热的特点，极大地减少了打印过程中因快速加热和冷却产生的残余应力，有效防止了零件变形和开裂，成形零部件内部质量好、良品率高，特别适合打印大尺寸或结构复杂的铜部件；

（4）成形效率高：电子束功率通常可达数千瓦，能快速熔化铜粉，且电子束偏转速度极快，远高于激光振镜的扫描速度，这使得它可以大幅提升打印速度，尤其在批量制造大型、致密零部件时更具效率；

（5）性能优异：EBM成形的纯铜及铜合金零部件纯度高、致密度高、导电导热性能优异，能够实现传统方法难以达到的性能组合；

（6）设计自由度高： EBM可以制造出内部具有复杂流道、点阵结构的轻量化、功能集成化的铜制部件，这是传统加工方法难以实现的。

△表1 EBM与SLM成形铜及铜合金零部件特性对比

三、电子束选区熔化（EBM）成形纯铜及铜合金的应用
（1）电力驱动—电机绕组 3D打印电机绕组具有更高的设计自由度，使得凹槽中的铜含量更大，能够改善绕组的热耦合，有效降低电动机的转子损耗，提高电动机的效率等。

△典型3D打印增材制造电机绕组

（2）先进热管理—散热器、尾喷管 3D打印散热器、换热器具有更高的设计自由度，可提高约一倍的冷却效果，同时可减重约20%，效率提高约20%。3D打印的燃烧室和喷嘴被设计为一个整体的部件，它将实现更高的冷却性能，同时减少零件数量和对装配的需求。

△典型3D打印增材制造散热器

△典型3D打印增材制造燃烧室、尾喷管

（3）潜力应用-电感应线圈3D打印电感应线圈能够实现整体成形，无需手工弯曲和焊接，避免了因焊接引起的疲劳开裂等问题，大幅提升了使用寿命与稳定性；且具有更高的设计自由度，能够优化几何形状，提升导电导热性能。

△典型3D打印增材制造电感应线圈

西空智造公司电子束打印纯铜及铜合金的进展
西安空天机电智能制造有限公司（简称西空智造），是针对空天动力、新能源动力等零部件从事智能3D打印的科创型企业，定位于空天动力零部件及智能增材设备提供商。公司将智能增材制造特称为“i-3D”，旨在突出3D打印从数字制造发展为智能数字制造；并自主创新发展智能激光锻打印、激光/电弧合打印、电子束点打印技术，简称“智能三打”。凭借这些前沿工艺，西空智造为空天动力领域发动机关键部件的高性能与低成本制造提供了突破性解决方案，有力推动了该领域“卡脖子”技术难题的破解。

西空智造采用电子束选区熔化（EBM）技术，可直接打印纯铜与铜合金零部件。西空智造使用电子束选区熔化技术打印的纯铜试样综合性能优异，致密度≥99.5%，抗拉强度≥165Mpa，屈服强度≥76Mpa，导电率≥99% IACS，导热率≥400W/(m·K)。

△西空智造电子束打印制备的纯铜及铜合金样件