Zuiver koper is een veelgebruikt materiaal in elektronica en stroomproductie vanwege de hoge thermische en elektrische geleidbaarheid. Overeenkomstige toepassingen omvatten vaak complexe geometrieën gecombineerd met volledig dichte materialen om de elektrische geleidbaarheid te verbeteren. Voor dergelijke toepassingen blijkt additive manufacturing (AM) voldoende te zijn voor nieuwe ontwerpen.
Om precies te zijn, de hoge nauwkeurigheid en ruimtelijke resolutie die wordt geboden door de Laser Powder Bed Fusion (L-PBF)-technologie lijkt bijzonder geschikt voor het maken van zeer complexe vormen en het verminderen van materiaalverspilling in het proces. Vanwege de hoge reflectiviteit en hoge thermische geleidbaarheid van koperpoeder onder laser-infrarood laserstraling, is het echter nog steeds een echt technisch probleem om materialen van zuiver koper met een lage porositeit te fabriceren met de traditionele L-PBF-methode.
Poedereigenschappen van koperpoeder
Copper has excellent thermal conductivity, electrical conductivity, and good corrosion resistance and ductility, and in the metal system, copper has a wide range of sources and low cost, and can be widely used in many fields such as electrical and thermal materials, biomedicine, etc. . Copper has a high reflectivity to laser light, with a reflectivity of more than 90 percent for lasers with a wavelength greater than 1060 nm, and an absorption rate of more than 60 percent for lasers with a wavelength of 515 nm. In this case, these characteristics of copper bring challenges in the processing of additive manufacturing technology. Copper has a relatively high thermal conductivity. During the forming process, heat will be quickly transferred to the melt area, resulting in Higher local thermal gradients can easily lead to process defects such as layer curl, delamination, and partial part failure. In addition, the high ductility of copper will make it difficult to remove and recycle residual powder from formed parts. In addition, copper powder has high surface activity and is easy to oxidize. Copper powder requires special handling and storage.
De beperkingen van de hoge thermische geleidbaarheid van koper en de hoge reflectie van laserlicht maken het moeilijk om het vormingsproces van de additieve productietechnologie voor koperpoeder te beheersen, en het vormingsproces is moeilijk. Op dit moment loopt het onderzoek en de toepassing van 3D-printkoper achter op sommige andere veelgebruikte metalen materialen. Koper, als een typisch structureel-functioneel integratiemateriaal, heeft een breed scala aan additive manufacturing-behoeften en is een onderzoekshotspot in de 3D-printindustrie.
Technische moeilijkheden van traditionele laserpoederbedfusie die koper vormt
De warmtebron van de laserselectieve smelttechnologie is de laserstraal. De hoge reflectiviteit van koper naar de laser zorgt ervoor dat de meeste laserenergie tijdens het vormingsproces wordt teruggekaatst naar het optische systeem en slechts een klein deel van de energie wordt geabsorbeerd door het koperpoeder. Xi-gesteente is volledig gesmolten en de onderdelen zijn vatbaar voor defecten zoals poriën en scheuren, wat de vorming van laserselectief smeltkoper bemoeilijkt. Op dit moment is gerelateerd onderzoek op het gebied van laserselectief smelten en vormen van koper voornamelijk gericht op het verbeteren van de dichtheid van onderdelen.
Vroeg onderzoek werd beperkt door hardwarefaciliteiten zoals laserapparatuur. Tijdens het vormproces was het moeilijk voor de laser om het koperpoeder volledig te smelten en was het moeilijk om dichte delen voor te bereiden. Met de voortdurende ontwikkeling van lasertechnologie zijn de prestaties van laserapparatuur continu verbeterd en kan een hoog vermogen worden gebruikt om de dichtheid van onderdelen te vergroten. De laser die wordt teruggestuurd naar het optische systeem zal echter de optische componenten beschadigen, en vervolgens stelden sommige onderzoekers voor dat methoden zoals het wijzigen van het oppervlak van koperpoeder en het verminderen van de lasergolflengte de hoge reflectiviteit van koper kunnen verbeteren. De vroege laserselectieve smeltvormingsapparatuur gebruikte lasers met een laag vermogen, slechte stabiliteit en lage bundelkwaliteit, dus het was moeilijk om het volledige smelten van koperpoeder te bereiken. Alleen legeringspoeder met een laag smeltpunt of een hoge laserabsorptiesnelheid kan als bindmiddel aan het koperpoeder worden toegevoegd. Onder laserscanning smelt het bindmiddel om een vloeibare fase te vormen die de poriën tussen de koperpoederdeeltjes vult en stolt om sinteren te bereiken Voorbereiding van onderdelen. Deze methode wordt "indirecte sintermethode" genoemd. Hoewel op deze manier het volledige printen van het hele onderdeel kan worden bereikt, hebben sommige verwante onderzoekers ontdekt dat de verkregen onderdelen minder dicht zijn.
In de academische wereld gebruikte Gu Dongdong van de Nanjing University of Aeronautics and Astronautics een CO2-laser met een maximaal uitgangsvermogen van 1 kW, voorgelegeerd CuSn-poeder als bindmiddel en CuP als deoxidatiemiddel om Cu plus CuSn plus CuP-poeder te sinteren om een dichte 82 procent koperen onderdelen. Tang Y et al. gebruikte een laser van 200 W om Cu plus Cu3P-poeder te lasersinteren met voorgelegeerd metaalpoeder Cu3P als bindmiddel, en bereidde uiteindelijk een onderdeel voor met een dichtheid van 76 procent. Bovendien hebben binnenlandse fabrikanten zoals Shenghua 3D ook verkenningen gedaan in indirect 3D-printen en het vormen van kopermaterialen, en hebben ze doorbraken bereikt.
Samenvattend kan worden gezien dat het vroege gerelateerde onderzoek nog steeds wordt beperkt door de invloed van laservermogen en straalkwaliteit, waardoor de dichtheid van de voorbereide onderdelen laag is en de vormingskwaliteit slecht. Dit vereist het gebruik van lasers met een hoger vermogen en betere kwaliteit om de moeilijkheid van de absorptiesnelheid van laserlicht door koper te overwinnen en stabiele vormingsomstandigheden te produceren, om de kwaliteit en prestaties van laserselectief smelten en vormen van koperen onderdelen te verbeteren.
Met de voortdurende ontwikkeling van lasertechnologie zijn de stabiliteit en straalkwaliteit van lasers ook continu verbeterd en is er laserapparatuur met een hoge straalkwaliteit, hoge stabiliteit en een hoog vermogen in gebruik genomen. Sommige onderzoekers experimenteerden met dit soort apparatuur en ontdekten dat de dichtheid van onderdelen sterk was verbeterd. Lykov PA et al. gebruikte Pro DM125-apparatuur om puur kopermonsters met verschillende procesparameters te bereiden. Onder de omstandigheden van laservermogen 200 W, scansnelheid 100 mm/s, lijnafstand 0,12 mm en laagdikte 0,05 mm, puur kopermonsters met een dichtheid van 88,1 procent werd behaald. Koperen monsters. Ikeshoji TT et al. gebruikte 1KW krachtige single-mode fiberlaser SLM-apparatuur, onder de voorwaarde van een laservermogen van 800 W en een scansnelheid van 300 mm / s, verkreeg een zuiver kopermonster met een dichtheid van 96,6 procent en bestudeerde het effect van de scanafstand bij het vormen Volgens de invloed van de kwaliteit van het werkstuk, blijkt dat wanneer de scanafstand ongeveer 0,1 mm is, de dichtheid van het verkregen monster het hoogst is. Colopi M et al. gebruikte dezelfde laser SLM-apparatuur om zuiver kopermonsters te bereiden met een dichtheid van meer dan 97 procent. Jadhav SD et al. gebruikte high-power fiberlaserapparatuur om een monster te verkrijgen met een dichtheid tot 98 procent onder de procesomstandigheden van een energiedichtheid van 740-1120J/mm3.
Hoewel de verdichting van gevormde onderdelen kan worden bereikt door het laservermogen te vergroten en het vormproces te optimaliseren, zal de teruggekaatste laser naar het optische systeem de optische coating vernietigen en de laser verder beschadigen. Daarom is het geen effectieve en haalbare oplossing om alleen te vertrouwen op het verbeteren van de straalkwaliteit van de laser en het vergroten van het laservermogen. Alleen het verminderen van de reflectiviteit van koper naar laservermogen is een effectieve manier om dit probleem op te lossen. Omdat koper een laserabsorptiegraad heeft van meer dan 60 procent voor golflengten van minder dan 515 nm. Daarom is het verminderen van de lasergolflengte en het verhogen van de absorptiesnelheid van koper naar laser de sleutel om laserselectieve vorming van koper te realiseren.
groene laser
Om het probleem van de hoge reflectie van laserlicht door koper op te lossen, begonnen sommige buitenlandse onderzoeksinstellingen nieuw ontwikkelde krachtige laserbronnen te gebruiken die in het zichtbare golflengtebereik werken, en probeerden ze laserapparatuur te gebruiken met een golflengte van 515 nm (groene laser ) voor experimenten. Verbeterde laser-koper energiekoppeling.
In 2017 namen onderzoekers van het Fraunhofer Instituut voor Lasertechnologie in Duitsland het voortouw bij het onderzoeken van groen laserprinten van puur koper. Ze ontwikkelden een groen laserselectief lasersmeltsysteem (SLM) voor puur koper of koperlegeringen. 3D-printen, de technologie heet "Green SLM".
In november 2022 demonstreerde Trumpf (TRUMP) de nieuwste 3D-printer-TruPrint 5000 en groene lasertechnologie op de Frankfurt International Formnext-tentoonstelling. In 2021 lanceerde TRUMP zijn krachtige continue groene schijflaser van 3 kW. Er wordt gemeld dat het gemiddelde uitgangsvermogen van dit product zo hoog is als 3 kilowatt, wat het sterkste vermogen in de huidige groene laserserie vertegenwoordigt, en is zeer geschikt voor het lassen van sterk reflecterende materialen zoals koper en aluminium, vooral in de lithium batterij-industrie vertegenwoordigd door nieuwe energiebatterijen voor voertuigen. , Trumpf groene laser (1000-3000W) kan tot 120 lagen koperfolie lassen, bijna geen spatten, en de penetratiediepte is nauwkeurig en controleerbaar. Bovendien heeft krachtig groen licht ook uitstekende voordelen bij de toepassing van additieve productie van materialen van puur koper - 3D-printen.
In 2018 bracht Shimadzu Corporation (Japan) zijn BLUE IMPACT blue-impact diodelaser op de markt, die 100 watt vermogen kan produceren bij hoge helderheid. Dit product is ontwikkeld door Shimadzu Corporation in samenwerking met de Universiteit van Osaka in Japan als onderdeel van een nationaal project in Japan. De BLUE IMPACT-laser combineert vele blauwe laserdiodes van galliumnitride (GaN) van Nichia Chemical Corporation (Japan), waardoor de efficiëntie sinds 2006 is verdubbeld en het uitgangsvermogen met een orde van grootte is toegenomen. Een belangrijke toepassing voor de 450nm blauwe diodelaser van Shimadzu is het 3D-printen van kopermaterialen.
De bovengenoemde groene laser werd ontdekt in de jaren zestig tot tachtig. In die tijd gebruikten mensen verschillende niet-lineaire kristalmaterialen om Nd:YAG-lasers met frequentieverdubbeling binnen de holte uit te voeren om groene lichtbronnen te verkrijgen. In de jaren negentig hebben volledig solid-state groene lasers met een hoog vermogen en een hoge herhalingssnelheid, die de voordelen hebben van een lange levensduur, hoge betrouwbaarheid, kleine afmetingen en hoge efficiëntie, een ongekende ontwikkeling doorgemaakt. Met de verbetering van de kwaliteit van huishoudelijke halfgeleiderlasers en de verlaging van de prijs van buitenlandse halfgeleiderlasers, heeft het onderzoek naar binnenlandse all-solid-state high-power groene lasers ook grote vooruitgang geboekt.
Het gebruik van groene lasers heeft bewezen beter te koppelen aan koper in lastoepassingen. In feite worden groene golflengten (λ=532 of 515 nm) gemakkelijker geabsorbeerd door zuiver koper, niet alleen in vaste toestand maar ook in vloeibare toestand. De overeenkomstige absorptiesnelheden zullen naar verwachting tussen 40 procent en 60 procent in vaste toestand en 25 procent tot 50 procent in vloeibare toestand liggen. Volgens de onderzoeksresultaten van het Duitse Instituut voor Fotonentechnologie, wanneer het koper in vaste toestand is bij kamertemperatuur van 20 graden, is de absorptiesnelheid voor de groene lichtband ongeveer 40 procent; In plaats daarvan daalde het met ongeveer 5 procent. Dat wil zeggen, de absorptie van groen licht neemt iets af nadat het koper is gesmolten. Deze functie helpt bij het verkrijgen van een stabiel klein gaatje en bijna geen spatten bij het bewerken van koper. Dit is het duidelijke voordeel van groene laserlassen ten opzichte van infrarood laserlassen. Daarom is het bevorderen van het wijdverbreide gebruik van groene lasers op L-PBF-koper het belangrijkste doel van het huidige onderzoekswerk.
blauwe laser
Een tweede mogelijke manier om de laser-koper-energiekoppeling te verbeteren, is het gebruik van een blauwe laserbron. Daarom zijn krachtige blauwe diodelasers met een golflengte van 450 nm ook sterke kandidaten voor laser 3D-printen van koper.
In de studie van puur koper en Cu-6Sn-legering, Hummel et al. wees erop dat de absorptiesnelheid van koper voor blauw laserlicht zelfs hoger is dan 515-530 nm, en de absorptiesnelheid is zo hoog als 80 procent in de geleidende lastoestand, terwijl bij 515 nm 60 procent. Hoewel hogere vermogens al in ontwikkeling zijn, zijn bestaande blauwe laserdiodes nog steeds beperkt in helderheid en beschikbare gefocuste straaldiameter, wat hun mogelijke toepassing in L-PBF's beperkt, aangezien dit een hogere hogere scansnelheid vereist voor laserlassen.
afbeelding
△ Koper, goud, aluminium en andere materialen absorberen blauw laserlicht beter dan andere golflengten van laserlicht. Afbeelding via NUBURU/NASA 1969
In mei 2022 verneemt Antarctic Bear dat Essentium, de fabrikant van originele apparatuur achter High Speed Extrusion (HSE) 3D-printtechnologie, en NUBURU, een industriële laserspecialist, hebben samengewerkt om een nieuwe op blauwe laser gebaseerde metalen 3D-printer te ontwikkelen die kan oplossen de pijnpunten van gemakkelijke reflectie en moeilijke vorming in het traditionele 3D-printproces van metaal van koper/goud/aluminium/roestvrij staal en andere metalen. Naar verluidt zal de nieuwe 3D-lasermetaalprinter de eigen blauwe lasertechnologie van NUBURU integreren en materialen in de vorm van draadaanvoer kunnen verwerken, dus we kunnen concluderen dat deze werkt volgens het principe van gerichte energiedepositie (DED). Bovendien beweert NUBURU dat blauwe lasertechnologie 3D-printen tot 10 keer sneller kan maken dan concurrenten, terwijl ook metaal met zeer hoge dichtheden kan worden geprint.
afbeelding
△Een NUBURU blauwe laser. Foto via NUBURU.
NUBURU, een ander bedrijf dat zich richt op krachtige blauwe lasertechnologie, heeft 20 miljoen dollar opgehaald om industriële productielijnen te ontwikkelen en markten voor energieopslag, elektrische voertuigen en 3D-printen te ontwikkelen. Lasercladden en lasermetaalafzetting (LMD) zijn twee toepassingen waarbij de grondstof wordt verwarmd tot het smeltpunt en aan het oppervlak wordt gehecht. Volgens NUBURU maken de voordelen van zijn blauwe lasertechnologie het mogelijk om koper op roestvrij staal te bekleden (en vice versa). Industriële blauwe lasers kunnen laag voor laag kopermetaal afzetten. Dit voordeel strekt zich uit tot het additieve fabricageproces met lasermetaalafzetting (LMD). Voor goud, koper, aluminium en andere reflecterende metalen kan de blauwe laser sneller bouwen dan infraroodlasers die 10 keer sneller zijn en een hogere kwaliteit leveren.
ijsbeer samenvatting
Het bovenstaande onderzoek bewijst dat zowel groene laser als groene laser kunnen worden gebruikt als de voorkeurslichtbron voor het 3D-printen van sterk reflecterende metalen materialen, en 3D-printen van puur koperen materialen kan gerelateerde problemen goed oplossen en een hogere dichtheid bereiken. De kosten van deze twee lasers zijn momenteel echter nog hoog en de verbetering en kostenverlaging van groen/blauwe lasers zijn nog steeds problemen die in de toekomst moeten worden opgelost. Het is te voorzien dat als laser 3D-printtechnologie op grote schaal kan worden toegepast op puur kopermaterialen, de marktomvang van 3D-printen van kopermaterialen naar verwachting verder zal worden uitgebreid.
