上海交通大學(xué)研究團隊采用希禾增材綠激光3D打印設(shè)備，實現(xiàn)高質(zhì)量純銅器件的增材制造

導(dǎo)讀：純銅和銅合金具有高導(dǎo)熱、高導(dǎo)電、耐腐蝕等一系列優(yōu)異特性，廣泛應(yīng)用于航空航天、新能源、大數(shù)據(jù)、汽車工程以及飾品等領(lǐng)域。

激光粉末床熔融技術(shù)（LPBF，即選區(qū)熔融技術(shù)/SLM），能夠?qū)�結(jié)構(gòu)復(fù)雜的金屬部件進行高精度和高效率的一體式成型，已經(jīng)快速發(fā)展成為了金屬增材制造領(lǐng)域的主流技術(shù)。

傳統(tǒng)的LPBF設(shè)備通常采用紅外激光作為光源，但對于銅及銅合金等高反金屬材料，紅外激光的吸收率較低。當紅外激光與這些金屬材料作用時，大部分激光能量未能被材料吸收，而是被反射回設(shè)備。這不僅會導(dǎo)致材料熔融的不充分，形成內(nèi)部氣孔和空隙，還可能損壞設(shè)備的光學(xué)器件，影響設(shè)備的穩(wěn)定性并縮短其使用壽命。因此，傳統(tǒng)的LPBF設(shè)備在打印高反金屬時仍面臨諸多難題，例如打印件的致密度偏低、打印效率低下、飛濺嚴重以及設(shè)備不穩(wěn)定等。

銅和銅合金等高反金屬在綠光波段的吸收率顯著高于紅外波段。使用綠光熔融這些材料時，大部分激光能量能夠被材料有效吸收，有利于獲得充分的熔融，從而實現(xiàn)高致密度的打印件。同時，由于激光能量的利用率比較高，打印效率也將大幅提高。此外，由于綠光的能量利用率較高，材料反射的激光能量較少，有效地減少了熔融過程中的飛濺現(xiàn)象，為設(shè)備的長時間連續(xù)穩(wěn)定運行提供了重要保障。

深圳希禾增材技術(shù)有限公司（希禾增材），基于自主研發(fā)的高功率單模光纖綠光激光器，率先推出綠激光粉床熔融（GL-PBF）設(shè)備，為高質(zhì)量銅部件的增材制造提供了新的機遇。這些設(shè)備使得銅及銅合金的增材制造變得更加可行和高效，也為高反金屬材料的創(chuàng)新應(yīng)用開辟了新通道。

△圖1. 典型金屬材料對各波長激光的吸收率，來源 www.addireen.com

2024年10月，來自上海交通大學(xué)核科學(xué)與工程學(xué)院與上海大學(xué)材料基因組工程學(xué)院的研究團隊，在專注于材料加工與制造技術(shù)研究的國際學(xué)術(shù)期刊Journal of Materials Processing Technology上發(fā)表了題為"Enhanced electrical and mechanical properties of additively manufactured pure copper with green laser" (DOI: 10.1016/j.jmatprotec.20 24.118615)的文章。研究旨在通過綠色激光粉床熔融（GL-PBF）技術(shù)，解決純銅的高反射率問題。同時關(guān)注銅部件的相對密度、表面粗糙度、力學(xué)性能和導(dǎo)電性等特性，填補純銅GL-PBF工藝參數(shù)優(yōu)化的研究缺口，為高反射金屬材料的激光增材制造提供框架。該研究同時展現(xiàn)出希禾增材公司綠激光金屬3D打印設(shè)備在科學(xué)研究領(lǐng)域卓越的應(yīng)用能力，進一步驗證了綠色激光粉床熔融技術(shù)（GL-PBF）在銅材料增材制造方面的優(yōu)異表現(xiàn)。

在實驗中，研究團隊使用希禾增材公司的XH-M160G綠激光（λ = 532 nm）設(shè)備對純銅粉末進行打印。由于綠色激光器波長（約532 nm）與銅的反射特性相匹配，銅材料能夠更好地吸收激光能量，從而實現(xiàn)更高的熔化效率和更均勻的熱分布。這有助于提高最終產(chǎn)品的物理性能，滿足更多的應(yīng)用場景。希禾增材公司XH-M160G設(shè)備采用500W單模連續(xù)光纖激光器，平均光斑直徑為30μm，銅粉的吸收率約為85%。該研究通過固定掃描間距，調(diào)節(jié)掃描速度、激光功率等參數(shù)，觀察不同條件下實驗樣品的的微觀結(jié)構(gòu)、機械與電氣性能等變化，系統(tǒng)地探索了這些因素對材料性能的影響。

該研究圍繞綠激光粉床熔融（GL-PBF）技術(shù)，探討其工藝參數(shù)在制造銅部件過程中如何影響材料的各項性能，揭示了它們對純銅樣件的致密化、微觀結(jié)構(gòu)、表面粗糙度、力學(xué)性能性能和電導(dǎo)率的關(guān)鍵作用。研究結(jié)果表明，通過優(yōu)化GL-PBF參數(shù)可以實現(xiàn)相對密度超過99.9%，且電導(dǎo)率達到98%國際退火銅標準（IACS）的銅部件，這一發(fā)現(xiàn)也驗證了綠色激光在增材制造領(lǐng)域中的巨大前景。此外，研究還結(jié)合實驗與有限元分析建模，進一步探索了缺陷形態(tài)對打印材料電導(dǎo)率的影響；針對電導(dǎo)率和孔隙性之間的關(guān)系，提出了多種模型，為增材制造過程中如何控制這些缺陷提供了全新的視角。

△圖2. 圖解摘要, 來源: https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2024.118615

綠激光粉床熔融（GL-PBF）技術(shù)不僅可以實現(xiàn)了純銅及銅合金的高效、高質(zhì)量打印，同時也為其它高反金屬和高熔點金屬材料（黃金，鉑金，銀，鉭和鎢等）的增材制造提供了全新的解決方案。此外，也為常規(guī)金屬材料更高效和更精細的打印提供了新方案。

△圖3. 希禾增材公司綠激光3D金屬設(shè)備打印 Cu, CuCrZr, CuCrNb, CuSn10 樣件

深圳希禾增材技術(shù)有限公司作為中國綠激光3D打印整體解決方案的提供商，專注于高反金屬增材制造裝備的研發(fā)與制造。設(shè)備光源采用自主研發(fā)的500-1000W高功率單模連續(xù)光纖綠光激光器，輸出光束具有光束質(zhì)量高、穩(wěn)定性高、聚焦光斑更細小的優(yōu)點。與傳統(tǒng)的LPBF設(shè)備相比，希禾增材的GL-PBF設(shè)備在純銅、銅合金、黃金及鉑金等材料的增材制造領(lǐng)域具有更高的成型效率、更好的成型質(zhì)量、更高的打印分辨率及更大的工藝窗口等優(yōu)勢。

希禾增材成功推出率多款綠激光金屬3D打印設(shè)備（M160G, M350G, M100G等），并在航空航天、新能源汽車、感應(yīng)加熱線圈、及高速通訊器件等工業(yè)領(lǐng)域獲得較多實際應(yīng)用。這些設(shè)備打印的純銅部件的熱導(dǎo)率可達390W/m·K, 打印的液冷散熱器件和換熱部件能夠在0.5mm壁厚的條件下承受大于8MPa水壓，打印的TPMS結(jié)構(gòu)散熱器件的最薄壁厚可達0.08mm。

未來，深圳希禾增材技術(shù)有限公司將持續(xù)探索高性能綠激光3D打印設(shè)備的技術(shù)創(chuàng)新，并且努力推動GL-PBF技術(shù)在各行業(yè)的創(chuàng)新應(yīng)用，為全球高端制造業(yè)的持續(xù)發(fā)展貢獻力量。