銅金屬3D打印感應(yīng)加熱應(yīng)用已經(jīng)商業(yè)化

2024年7月25日，南極熊獲悉，美國工業(yè)感應(yīng)加熱系統(tǒng)的制造商Tucker Induction已與Nikon（尼康）SLM Solutions建立合作伙伴關(guān)系，它們的目標(biāo)是在美國市場上成為使用SLM 280系列系統(tǒng)進(jìn)行先進(jìn)銅3D打印技術(shù)的開創(chuàng)者。中國的綠光金屬3D打印廠商希禾增材的一些客戶，也已經(jīng)成功應(yīng)用到感應(yīng)加熱，并進(jìn)行商業(yè)化。

△Tucker Induction Systems和Nikon SLM Solutions合作進(jìn)行銅3D打印技術(shù)的開發(fā)

SLM 280 2.0提供280 x 280 x 365 mm的打印空間以及多光束激光技術(shù)，非常適合中批量生產(chǎn)金屬部件以及原型生產(chǎn)。多激光器系統(tǒng)的打印速度比單激光器快80%。獲得專利的雙向粉末應(yīng)用有助于減少打印過程中的鋪料機(jī)構(gòu)行程次數(shù)，從而減少制造時(shí)間。

Nikon SLM Solutions的首席商務(wù)官Charlie Grace表示：“我們很高興支持Tucker Induction 在感應(yīng)行業(yè)推廣銅3D打印技術(shù)。此次合作體現(xiàn)了我們致力于推動(dòng)創(chuàng)新并提供尖端解決方案以滿足客戶不斷變化需求的承諾�！�

△Nikon SLM 280

3D打印感應(yīng)線圈和銅部件

在美國，銅3D打印技術(shù)并不常見，但通過此次合作，Tucker Induction現(xiàn)在能夠打印感應(yīng)線圈和銅部件。這一合作為行業(yè)設(shè)立了新的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了高效和高質(zhì)量的生產(chǎn)，以滿足各行業(yè)的需求。通過提供可靠的銅3D打印解決方案，填補(bǔ)了市場上的一大空白。這種能力不僅提升了Tucker Induction的生產(chǎn)效率，還為復(fù)雜和高性能設(shè)計(jì)開辟了新的可能性。

Tucker Induction的經(jīng)理Joshua Tucker表示：“我們很高興成為美國少數(shù)幾家使用銅3D打印感應(yīng)線圈的公司之一。與Nikon SLM Solutions的合作使我們能夠突破感應(yīng)行業(yè)的極限�！�

Tucker Induction的老板Rocky Tucker補(bǔ)充道：“與Nikon SLM Solutions的合作使我們能夠創(chuàng)新和開發(fā)功能性銅電感器。他們的技術(shù)和合作熱情是我們成功的關(guān)鍵。”

△感應(yīng)工具和配件

關(guān)于Tucker Induction

作為感應(yīng)加熱行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，自1976年以來一直致力于提供世界一流的質(zhì)量、服務(wù)和交付標(biāo)準(zhǔn)，憑借領(lǐng)導(dǎo)力、團(tuán)隊(duì)合作和奉獻(xiàn)精神。我該公司致力于創(chuàng)新和采用新技術(shù)，以確保不僅成為行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者，還能為客戶提供所需的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)和產(chǎn)品。無論是新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造，還是現(xiàn)有產(chǎn)品的維修，都能滿足用戶在感應(yīng)領(lǐng)域的所有需求。

發(fā)布首臺(tái)近單模2000W連續(xù)綠光激光器，公大激光為銅材料3D打印提供更多可能

激光技術(shù)，自20世紀(jì)中葉誕生以來，已成為現(xiàn)代科技的基石之一，其發(fā)展背景豐富而深遠(yuǎn)。1960年，第一臺(tái)激光器的問世標(biāo)志著一個(gè)新時(shí)代的開啟，梅曼利用紅寶石晶體成功產(chǎn)生了相干光，這種新型光源具有前所未有的單色性、相干性和方向性，為科學(xué)研究和技術(shù)應(yīng)用開辟了新天地。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著半導(dǎo)體泵浦技術(shù)、光纖激光技術(shù)和超快激光技術(shù)的發(fā)展，激光技術(shù)迎來了新的飛躍。半導(dǎo)體泵浦技術(shù)提高了激光器的電光轉(zhuǎn)換效率，降低了制造成本。光纖激光器以其高功率、高穩(wěn)定性和緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，成為工業(yè)加工的優(yōu)選。超快激光器則以其超短脈沖特性，在微納加工和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。當(dāng)前，激光技術(shù)正朝著更高功率、更高精度和更廣泛應(yīng)用的方向發(fā)展。

隨著光纖激光器技術(shù)的快速發(fā)展，激光器的輸出功率、光束質(zhì)量和電光效率不斷提高，為高功率綠光激光器的研發(fā)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。非線性光學(xué)倍頻技術(shù)的發(fā)展，使得從紅外光纖激光器轉(zhuǎn)換到綠光激光器成為可能，提高了綠光激光器的輸出功率。在工業(yè)加工領(lǐng)域，高功率激光設(shè)備在航空航天、汽車制造、船舶制造等領(lǐng)域的切割、焊接、打標(biāo)、測量發(fā)揮著重要的作用；在醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域，激光的精確性和控制能力使其在眼科手術(shù)、皮膚治療和其他醫(yī)療程序中得到廣泛應(yīng)用。激光技術(shù)已經(jīng)滲透到日常生活的方方面面，從工業(yè)制造到藝術(shù)創(chuàng)作，再到科學(xué)研究。隨著技術(shù)的進(jìn)步，高功率激光器的研發(fā)使得激光在工業(yè)加工能力上得到顯著提升。

高功率、短波長激光的應(yīng)用發(fā)展及優(yōu)勢
高功率綠光激光器的發(fā)展備受關(guān)注。連續(xù)光纖激光器由于其運(yùn)轉(zhuǎn)模式連續(xù)及其波導(dǎo)式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，具有輸出激光能量均勻、高增益、高轉(zhuǎn)換效率、可實(shí)現(xiàn)超高功率輸出、光束質(zhì)量較好、容易實(shí)現(xiàn)單模輸出和性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

激光與材料相互作用的原理是復(fù)雜多樣的，不同的激光參數(shù)（如波長、功率、脈沖寬度等）和材料特性會(huì)導(dǎo)致不同的相互作用效果。這些相互作用的結(jié)果在激光技術(shù)的應(yīng)用中有著廣泛的利用，如材料加工、醫(yī)療治療、科學(xué)研究等。

銅材料是世界上應(yīng)用最廣的金屬材料之一，在常溫條件下，如圖1所示，銅材對(duì)1064nm波段的激光吸收率只有不到5%，而對(duì)532nm的綠光的吸收率可以達(dá)到40%，相當(dāng)于是近紅外波段激光的8倍。而銅材大量應(yīng)用于鋰電、微電子等行業(yè)，目前工業(yè)界使用最多的是1064nm波段的近紅外激光器，由于銅對(duì)1064nm波段激光吸收率低從而會(huì)在加工過程中出現(xiàn)效率低、氣泡、飛濺等問題，而綠光激光用于銅等高反材料的切割、焊接、增材制造應(yīng)用的效果比近紅外激光效果有明顯優(yōu)勢。因此實(shí)現(xiàn)高功率、高效率的連續(xù)綠光輸出成為激光器的研究熱點(diǎn)之一。

△圖1. 銅對(duì)不同波長的吸收率

引自《高功率連續(xù)綠光激光器的研究進(jìn)展》

圖2表示了幾種典型粉末材料對(duì)不同波長激光的吸收率曲線圖�？梢钥闯霾煌�材料對(duì)不同波長激光的吸收率曲線不同。加工過程中材料吸收的激光能量可以轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致材料局部溫度升高。這種熱效應(yīng)在激光切割、焊接和熱處理等過程中非常重要，導(dǎo)致材料發(fā)生相變，如熔化、蒸發(fā)或升華。

△圖2. 典型粉末材料對(duì)各波長激光的吸收率

綠光激光器的一個(gè)重要應(yīng)用是3D打印技術(shù)。在金屬3D打印領(lǐng)域，綠光激光器可以提高打印質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)純銅材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)的3D 打印，圖3為單模連續(xù)綠光光纖激光器純銅打印分析結(jié)果，設(shè)備集成商為希禾增材，采用公大激光推出的500W單模綠光激光器作為打印光源。

△圖3. 單模連續(xù)綠光光纖激光器打印純銅（希禾增材）（致密度≥99.5%）

使用單模連續(xù)綠光光纖激光器作為光源，在打印純銅方面的應(yīng)用是一個(gè)相對(duì)較新的技術(shù)領(lǐng)域，它利用了綠光激光器的光束特性來克服傳統(tǒng)激光技術(shù)在處理高反射材料時(shí)遇到的挑戰(zhàn)。由于純銅對(duì)綠光的吸收率遠(yuǎn)高于對(duì)近紅外光的吸收率，使得綠光激光器在銅材料的加工上更為有效。另一方面，單模激光器產(chǎn)生的光束具有很高的質(zhì)量和一致性，這對(duì)于精密加工至關(guān)重要，尤其是在打印純銅時(shí)，可以確保打印過程的精細(xì)度和一致性。

△圖4. 希禾增材XH-M160G 3D打印的純銅熱處理感應(yīng)器

△圖5. 希禾增材XH-M160G 3D打印的純銅電機(jī)繞組

而在短波長激光器的開發(fā)中，紫外（UV）激光器和藍(lán)光激光器因其獨(dú)特的應(yīng)用特性而備受關(guān)注。由于紫外激光波長較短，對(duì)材料的純度和光學(xué)特性要求極高，目前難以找到能夠承受高功率紫外激光的材料，市場上出現(xiàn)的超過百瓦的紫外激光器并不多見。藍(lán)光激光器雖然目前已有制造商實(shí)現(xiàn)了千瓦級(jí)的功率輸出，但在光纖合束前，藍(lán)光激光器需要進(jìn)行空間合束，這一過程對(duì)激光光束的質(zhì)量、穩(wěn)定性和功率分布有嚴(yán)格要求，與光纖激光器相比，藍(lán)光激光器的光束質(zhì)量較差，這限制了其在某些精密加工應(yīng)用中的性能。

另一方面，經(jīng)過各國科研人員的努力，商用的綠光激光器近年取得較大的進(jìn)展。德國通快集團(tuán)(TRUMPF)于2021年推出高功率連續(xù)綠光碟片激光器TruDisk 3022，能夠提供多模3kW的最高輸出功率，是目前綠激光系列中的最高功率，展示了其在銅材焊接方面的應(yīng)用優(yōu)勢，但其價(jià)格非常昂貴。美國IPG公司于2022年推出了世界上第一臺(tái)千瓦級(jí)單模納秒脈沖綠光激光器GLPN-1000，可提供高達(dá)1kW的平均功率，整機(jī)體積小巧，電光轉(zhuǎn)換效率高達(dá)25%，引起了產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。

希禾增材綠激光金屬3D打印機(jī)
2023年9月，公大激光的全資子公司——深圳希禾增材發(fā)布了首款綠激光金屬3D打印機(jī)XH-M160G，成型尺寸160×160×200mm，可打印銅、鋁、金等高反射金屬，打破了國內(nèi)空白，隨著綠光金屬3D打印技術(shù)的逐步普及應(yīng)用，市場需求更大成型尺寸的設(shè)備。

△ 2024上海TCT展會(huì)南極熊采訪希禾增材

2024年3月，希禾增材又推出最新的綠激光金屬3D打印機(jī)XH-M350G，凈成型尺寸達(dá)到350*350*500mm，可選配單/雙綠激光，可以滿足大部分當(dāng)前市場上打印紫銅（Cu）、銅鉻鋯（CuCrZr）、銅鉻鈮（CuCrNb）、錫青銅（CuSn10）、銅鋁合金、銅鎳合金、鎢、鉭、黃金、鉑金等材料。

△希禾增材綠激光金屬3D打印機(jī)XH-M350G

中國的綠光金屬3D打印廠商希禾增材的一些客戶，也已經(jīng)成功應(yīng)用到感應(yīng)加熱，并進(jìn)行商業(yè)化。
近單模2千瓦連續(xù)綠光激光器
據(jù)市場研究公司Optech Consulting的最新報(bào)告顯示，2023 年全球材料加工激光系統(tǒng)市場規(guī)模估計(jì)為 235 億美元，同比增長 4%。隨著高端制造業(yè)的發(fā)展，對(duì)高功率綠光激光器的需求不斷增長。

深圳公大激光，主要從事“先進(jìn)短波長光纖激光器"和“激光精密加工解決方案”的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，是一家專注于中高功率短波長（綠光和紫外）全光纖激光器的研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用方案的激光器公司。公大激光繼2022年推出的500W單模綠光激光器和2023年推出的1000W單模和和3000W多模連續(xù)綠光激光器之后，本次新推出最高輸出功率達(dá)到2千瓦近單模綠光光纖激光器，已得到終端相關(guān)行業(yè)客戶的測試驗(yàn)證。

△圖6. 近單模2千瓦連續(xù)綠光激光器產(chǎn)品

主要激光特性，測試結(jié)果如下：
（1）激光器基本參數(shù)

△表1. 激光器基本參數(shù)

（2）功率穩(wěn)定性，連續(xù)出光拷機(jī)12h，整機(jī)功率波動(dòng)小于1.5%

圖7. 12小時(shí)功率穩(wěn)定性測試曲線

（3）光斑能量分布測試

△圖8. 光斑能量分布測試圖

（4）光束質(zhì)量測試

△圖9. 光束質(zhì)量測試圖@2千瓦

四、結(jié)語與展望
公大激光最新推出的近單模2千瓦連續(xù)綠光激光器，是全球最高平均功率的準(zhǔn)單模連續(xù)光纖綠光激光器。該產(chǎn)品的推出，為高反材料的加工提供了更充足的能量，近單模輸出保證了激光光束的高質(zhì)量和一致性，有望為厚銅材加工帶來的更高焊接質(zhì)量、更高效率和熔深。全光纖基頻和腔外倍頻的結(jié)構(gòu)，提供了高度的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)保證了激光器的緊湊性和易集成性。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場的不斷成熟，我們有理由相信，高功率光纖綠光激光器將為社會(huì)帶來更多的可能性。

高功率綠光在銅材精密焊接上有著明顯優(yōu)勢，特別在電控的IGBT和扁線電機(jī)焊接上，具有熱影響小，飛濺小，拉力穩(wěn)定，良率高。除了在銅等高反金屬材料焊接上有突出的物理特性優(yōu)勢；還在高精密、高效率銅材料3D打印上，有著巨大的應(yīng)用潛力。

未來，公大激光將繼續(xù)努力，開發(fā)更多創(chuàng)新技術(shù)，進(jìn)一步提高激光器的功率、效率和可靠性，同時(shí)降低成本，匹配更多重要的應(yīng)用場景，為全球高端制造升級(jí)貢獻(xiàn)力量。