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。
