Чистая медь широко используется в электронике и энергетике из-за ее высокой тепло- и электропроводности. Соответствующие приложения часто включают сложные геометрические формы в сочетании с полностью плотными материалами для повышения электропроводности. Для таких приложений аддитивное производство (AM) кажется достаточным для новых конструкций.
Точнее говоря, высокая точность и пространственное разрешение, обеспечиваемые технологией лазерной сварки порошковых материалов (L-PBF), по-видимому, особенно хорошо подходят для изготовления очень сложных форм и сокращения отходов материала в процессе. Однако из-за высокой отражательной способности и высокой теплопроводности медного порошка под действием лазерного инфракрасного лазерного излучения изготовление низкопористых материалов из чистой меди традиционным методом L-PBF по-прежнему является реальной технической проблемой.
Порошковые свойства медного порошка
Медь обладает отличной теплопроводностью, электропроводностью, хорошей коррозионной стойкостью и пластичностью, а в системе металлов медь имеет широкий спектр источников и низкую стоимость и может широко использоваться во многих областях, таких как электрические и термические материалы, биомедицина, и т. д. . Медь обладает высокой отражательной способностью для лазерного излучения: коэффициент отражения более 90 процентов для лазеров с длиной волны более 1060 нм и коэффициент поглощения более 60 процентов для лазеров с длиной волны 515 нм. В этом случае эти характеристики меди создают проблемы при обработке с помощью технологии аддитивного производства. Медь имеет относительно высокую теплопроводность. Во время процесса формования тепло будет быстро передаваться в зону расплава, в результате чего более высокие локальные температурные градиенты могут легко привести к дефектам процесса, таким как скручивание слоя, расслоение и частичный отказ детали. Кроме того, высокая пластичность меди затрудняет удаление и переработку остаточного порошка из формованных деталей. Кроме того, медный порошок обладает высокой поверхностной активностью и легко окисляется. Медный порошок требует особого обращения и хранения.
Ограничения высокой теплопроводности меди и сильного отражения лазерного света затрудняют управление процессом формования технологии аддитивного производства медного порошка, а процесс формования сложен. В настоящее время исследования и применение 3D-печати меди отстают от некоторых других распространенных металлических материалов. Медь, как типичный материал структурно-функциональной интеграции, имеет широкий спектр потребностей в аддитивном производстве и является горячей точкой исследований в индустрии 3D-печати.
Технические трудности традиционной лазерной формовки меди в порошковом слое
Источником тепла в технологии лазерного селективного плавления является лазерный луч. Высокая отражательная способность меди по отношению к лазеру приводит к тому, что большая часть лазерной энергии отражается обратно в оптическую систему в процессе формовки, и только небольшая часть энергии поглощается медным порошком. Xi порода полностью расплавлена, а детали склонны к дефектам, таким как поры и трещины, что затрудняет формование меди методом лазерного селективного плавления. В настоящее время в области лазерного селективного плавления и формовки меди соответствующие исследования в основном сосредоточены на повышении плотности деталей.
Ранние исследования были ограничены аппаратными средствами, такими как лазерное оборудование. В процессе формовки лазеру было сложно полностью расплавить медный порошок, а также было сложно подготовить плотные детали. С непрерывным развитием лазерных технологий производительность лазерного оборудования постоянно улучшается, и высокая мощность может использоваться для увеличения плотности деталей. Однако лазер, возвращенный в оптическую систему, повредит оптические компоненты, и тогда некоторые исследователи предположили, что такие методы, как модификация поверхности медного порошка и уменьшение длины волны лазера, могут улучшить высокую отражательную способность меди. В раннем оборудовании для лазерной селективной плавки использовались лазеры с малой мощностью, плохой стабильностью и низким качеством луча, поэтому было трудно добиться полного плавления медного порошка. К медному порошку в качестве связующего можно добавлять только порошок сплава с низкой температурой плавления или высокой скоростью поглощения лазерного излучения. При лазерном сканировании связующее плавится, образуя жидкую фазу, которая заполняет поры между частицами медного порошка и затвердевает, обеспечивая спекание. Подготовка деталей. Этот метод называется «метод непрямого спекания». Хотя таким образом можно добиться полной печати всей детали, некоторые смежные исследователи обнаружили, что полученные детали менее плотные.
В научных кругах Гу Донгдонг из Нанкинского университета аэронавтики и астронавтики использовал CO2-лазер с максимальной выходной мощностью 1 кВт, предварительно легированный порошок CuSn в качестве связующего и CuP в качестве раскислителя для спекания порошка Cu плюс CuSn плюс CuP для получения плотной Детали из меди на 82 процента. Тан Ю и др. использовали лазер мощностью 200 Вт для лазерного спекания порошка Cu плюс Cu3P с предварительно легированным металлическим порошком Cu3P в качестве связующего и, наконец, приготовили деталь с плотностью 76 процентов. Кроме того, отечественные производители, такие как Shenghua 3D, также провели исследования в области непрямой 3D-печати и формирования медных материалов и добились прорыва.
Таким образом, можно видеть, что ранние связанные исследования все еще ограничены влиянием мощности лазера и качества луча, что делает плотность подготовленных деталей низкой и качество формовки плохим. Это требует использования лазеров более высокой мощности и лучшего качества, чтобы преодолеть трудности, связанные со скоростью поглощения медью лазерного излучения, и создать стабильные условия формования, чтобы улучшить качество и производительность лазерно-селективного плавления и формования медных деталей.
С непрерывным развитием лазерных технологий стабильность и качество луча лазеров также постоянно улучшались, и было введено в эксплуатацию некоторое лазерное оборудование с высоким качеством луча, высокой стабильностью и высокой мощностью. Некоторые исследователи экспериментировали с этим типом оборудования и обнаружили, что плотность деталей значительно улучшилась. Лыков П.А. и соавт. использовали оборудование Pro DM125 для приготовления образцов чистой меди с различными технологическими параметрами. При мощности лазера 200 Вт, скорости сканирования 100 мм/с, шаге линий 0,12 мм и толщине слоя 0,05 мм образцы чистой меди плотностью было получено 88,1 процента. Образцы меди. Икешоджи Т.Т. и соавт. использовали мощное одномодовое волоконное лазерное оборудование SLM мощностью 1 кВт при мощности лазера 800 Вт и скорости сканирования 300 мм / с, получили образец чистой меди с плотностью 96,6 процента и изучили влияние расстояния сканирования. при формовании В соответствии с влиянием качества заготовки обнаружено, что когда расстояние сканирования составляет около 0,1 мм, плотность полученного образца является самой высокой. Колопи М. и соавт. использовали то же лазерное оборудование SLM для приготовления образцов чистой меди с плотностью более 97 процентов. Джадхав С.Д. и соавт. использовали мощное волоконное лазерное оборудование для получения образца плотностью до 98 процентов в условиях процесса с плотностью энергии 740-1120Дж/мм3.
Хотя уплотнение формованных деталей может быть достигнуто за счет увеличения мощности лазера и оптимизации процесса формования, лазер, отраженный обратно в оптическую систему, разрушит оптическое покрытие и еще больше повредит лазер. Следовательно, полагаться исключительно на улучшение качества луча лазера и увеличение мощности лазера не является эффективным и осуществимым решением. Только снижение отражательной способности меди до мощности лазера является эффективным способом решения этой проблемы. Потому что медь имеет коэффициент поглощения лазерного излучения более 60 процентов для длин волн менее 515 нм. Следовательно, уменьшение длины волны лазера и увеличение скорости поглощения меди лазером является ключом к реализации лазерно-селективного формирования меди.
зеленый лазер
Для решения проблемы высокого отражения медью лазерного света некоторые зарубежные научно-исследовательские институты стали использовать недавно разработанные мощные лазерные источники, работающие в видимом диапазоне длин волн, и попытались использовать лазерное оборудование с длиной волны 515нм (зеленый лазер ) для экспериментов. Улучшенная энергетическая связь лазер-медь.
В 2017 году исследователи из Фраунгоферовского института лазерных технологий в Германии взяли на себя инициативу в изучении зеленой лазерной печати из чистой меди. Они разработали систему селективного лазерного плавления зеленого лазера (SLM) для чистой меди или медных сплавов. 3D-печать, технология называется «Зеленый SLM».
В ноябре 2022 года компания Trumpf (TRUMP) продемонстрировала новейший 3D-принтер TruPrint 5000 и технологию зеленого лазера на международной выставке Formnext во Франкфурте. В 2021 году TRUMP запустил свой мощный дисковый лазер непрерывного действия мощностью 3 кВт. Сообщается, что средняя выходная мощность этого продукта достигает 3 киловатт, что представляет собой самую сильную мощность в текущей серии зеленых лазеров и очень подходит для сварки материалов с высокой отражающей способностью, таких как медь и алюминий, особенно в литиевых сплавах. Аккумуляторная промышленность представлена автомобильными аккумуляторами новой энергии. , зеленый лазер Trumpf (1000-3000W) позволяет наплавить до 120 слоев медной фольги практически без брызг, а глубина проплавления является точной и регулируемой. Кроме того, зеленый свет высокой мощности также имеет выдающиеся преимущества в применении аддитивного производства материалов из чистой меди - 3D-печати.
В 2018 году корпорация Shimadzu (Япония) выпустила на рынок свой диодный лазер синего удара BLUE IMPACT, который может производить мощность 100 Вт при высокой яркости. Этот продукт был разработан корпорацией Shimadzu в сотрудничестве с Осакским университетом в Японии в рамках национального проекта в Японии. Лазер BLUE IMPACT сочетает в себе множество синих лазерных диодов на основе нитрида галлия (GaN) от Nichia Chemical Corporation (Япония), удваивая эффективность с 2006 года и увеличивая выходную мощность на порядок. Ключевым применением синего диодного лазера Shimadzu с длиной волны 450 нм является 3D-печать медных материалов.
Вышеупомянутый зеленый лазер был открыт в 1960–1980-х годах. В то время люди использовали различные нелинейные кристаллические материалы для создания внутрирезонаторных лазеров Nd: YAG с удвоением частоты для получения источников зеленого света. В 1990-х годах беспрецедентного развития достигли полностью твердотельные зеленые лазеры с высокой мощностью и высокой частотой повторения, которые обладают преимуществами длительного срока службы, высокой надежности, небольшого размера и высокой эффективности. С повышением качества отечественных полупроводниковых лазеров и удешевлением зарубежных полупроводниковых лазеров большой прогресс получили и исследования отечественных полностью твердотельных мощных зеленых лазеров.
Доказано, что использование зеленых лазеров лучше сочетается с медью при сварке. Фактически зеленые длины волн (λ=532 или 515 нм) легче поглощаются чистой медью не только в твердом, но и в жидком состоянии. Ожидается, что соответствующие скорости поглощения будут составлять от 40 до 60 процентов в твердом состоянии и от 25 до 50 процентов в жидком состоянии. Согласно результатам исследований, проведенным Немецким институтом фотонных технологий, когда медь находится в твердом состоянии при комнатной температуре при 20 градусах, коэффициент поглощения полосы зеленого света составляет около 40 процентов; Вместо этого он упал примерно на 5 процентов. То есть поглощение зеленого света немного уменьшается после расплавления меди. Эта особенность помогает добиться стабильного маленького отверстия и почти нулевого разбрызгивания при обработке меди. Это очевидное преимущество зеленого лазера перед инфракрасной лазерной сваркой. Поэтому содействие широкому использованию зеленых лазеров на меди L-PBF является основной целью текущей исследовательской работы.
синий лазер
Второй возможный способ улучшить энергетическую связь между лазером и медью — использовать источник синего лазера, поэтому мощные синие диодные лазеры с длиной волны 450 нм также являются хорошими кандидатами для лазерной 3D-печати меди.
При исследовании чистой меди и сплава Cu-6Sn Hummel et al. указали, что скорость поглощения меди для синего лазерного излучения даже выше, чем 515–530 нм, а скорость поглощения достигает 80 процентов в состоянии проводящей сварки, а при 515 нм — 60 процентов. Однако, несмотря на то, что более высокие мощности уже находятся в стадии разработки, существующие синие лазерные диоды все еще ограничены по яркости и доступному диаметру сфокусированного луча, что ограничивает их возможное применение в L-PBF, поскольку это требует более высокой скорости сканирования для лазерной сварки.
картина
△ Медь, золото, алюминий и другие материалы поглощают синий лазерный свет лучше, чем другие длины волн лазерного излучения. Изображение через НУБУРУ/НАСА, 1969 г.
В мае 2022 года Antarctic Bear узнает, что Essentium, производитель оригинального оборудования для технологии высокоскоростной экструзии (HSE) 3D-печати, и NUBURU, специалист по промышленным лазерам, объединились для разработки нового металлического 3D-принтера на основе синего лазера, который может решать болевые точки легкого отражения и сложной формы в традиционном процессе 3D-печати металлом из меди / золота / алюминия / нержавеющей стали и других металлов. Сообщается, что новая машина для лазерной 3D-печати металлом будет интегрировать запатентованную технологию синего лазера NUBURU и сможет обрабатывать материалы в форме подачи проволоки, поэтому мы можем сделать вывод, что она работает по принципу направленного осаждения энергии (DED). Кроме того, NUBURU утверждает, что технология синего лазера может обеспечить 3D-печать в 10 раз быстрее, чем у конкурентов, а также печатать металлом с очень высокой плотностью.
картина
△Голубой лазер NUBURU. Фото через NUBURU.
NUBURU, еще одна компания, специализирующаяся на технологии мощных синих лазеров, привлекла 20 миллионов долларов для разработки промышленных производственных линий и развития рынков для хранения энергии, электромобилей и 3D-печати. Лазерная плакировка и лазерное осаждение металла (LMD) — это два применения, при которых сырье нагревается до точки плавления и приклеивается к поверхности. Согласно NUBURU, преимущества технологии синего лазера позволяют наплавлять медь на нержавеющую сталь (и наоборот). Промышленные синие лазеры могут наносить металлическую медь слой за слоем. Это преимущество распространяется на процесс аддитивного производства с лазерным осаждением металла (LMD). Для золота, меди, алюминия и других отражающих металлов синий лазер может строить быстрее, чем инфракрасные лазеры в 10 раз быстрее и обеспечивают более высокое качество.
резюме белого медведя
Вышеупомянутое исследование доказывает, что как зеленый лазер, так и зеленый лазер могут использоваться в качестве предпочтительного источника света для 3D-печати металлических материалов с высокой отражающей способностью, а 3D-печать материалов из чистой меди может хорошо решить связанные проблемы и достичь более высокой плотности. Однако стоимость этих двух лазеров в настоящее время все еще высока, а усовершенствование и снижение стоимости зеленых/синих лазеров все еще остается проблемой, которую предстоит решить в будущем. Можно предвидеть, что если технологию лазерной 3D-печати можно будет применять к материалам из чистой меди в больших масштабах, ожидается, что размер рынка 3D-печати медных материалов будет еще больше расширяться.
