Чиста мідь широко використовується в електроніці та виробництві електроенергії завдяки своїй високій тепло- та електропровідності. Відповідні програми часто включають складну геометрію в поєднанні з повністю щільними матеріалами для підвищення електропровідності. Для таких застосувань адитивне виробництво (AM) виявляється достатнім для нових конструкцій.
Точніше кажучи, висока точність і просторова роздільна здатність, які пропонує технологія лазерного порошкового термоплавлення (L-PBF), особливо добре підходять для створення дуже складних форм і зменшення відходів матеріалу в процесі. Однак через високу відбивну здатність і високу теплопровідність мідного порошку під лазерним інфрачервоним лазерним випромінюванням все ще залишається справжньою технічною проблемою виготовлення матеріалів з низької пористості чистої міді традиційним методом L-PBF.
Порошкові властивості мідного порошку
Мідь має відмінну теплопровідність, електропровідність, хорошу корозійну стійкість і пластичність, а в металевій системі мідь має широкий спектр джерел і низьку вартість, і може широко використовуватися в багатьох галузях, таких як електричні та термічні матеріали, біомедицина, тощо. Мідь має високу відбивну здатність до лазерного світла, з коефіцієнтом відбиття понад 90 відсотків для лазерів з довжиною хвилі понад 1060 нм і коефіцієнтом поглинання понад 60 відсотків для лазерів з довжиною хвилі 515 нм. У цьому випадку ці характеристики міді створюють проблеми при обробці за технологією адитивного виробництва. Мідь має відносно високу теплопровідність. Під час процесу формування тепло буде швидко передаватися в зону розплаву, в результаті чого більш високі локальні градієнти тепла можуть легко призвести до дефектів процесу, таких як скручування шару, розшарування та часткова поломка деталей. Крім того, висока пластичність міді ускладнить видалення та переробку залишків порошку з формованих деталей. Крім того, мідний порошок має високу поверхневу активність і легко окислюється. Мідний порошок вимагає особливого поводження та зберігання.
Обмеження високої теплопровідності міді та високого відбиття лазерного світла ускладнюють контроль процесу формування технології виробництва добавок мідного порошку, а процес формування є складним. Наразі дослідження та застосування 3D-друку міді відстають від деяких інших поширених металевих матеріалів. Мідь, як типовий структурно-функціональний інтеграційний матеріал, має широкий спектр потреб у виробництві добавок і є гарячою точкою досліджень у галузі 3D-друку.
Технічні труднощі традиційного лазерного порошкового плавлення для формування міді
Джерелом тепла технології лазерного селективного плавлення є лазерний промінь. Висока відбивна здатність міді до лазера призводить до того, що більша частина лазерної енергії відбивається назад до оптичної системи під час процесу формування, і лише невелика частина енергії поглинається мідним порошком. Порода Xi повністю розплавлена, а деталі схильні до дефектів, таких як пори та тріщини, що ускладнює формування міді селективного лазерного плавлення. В даний час у галузі досліджень лазерного селективного плавлення та формування міді відповідні дослідження в основному зосереджені на покращенні щільності деталей.
Ранні дослідження були обмежені такими апаратними засобами, як лазерне обладнання. У процесі формування лазеру було важко повністю розплавити мідний порошок, а також було важко підготувати щільні деталі. З безперервним розвитком лазерної технології продуктивність лазерного обладнання постійно вдосконалювалася, і висока потужність може бути використана для збільшення щільності деталей. Однак лазер, повернутий в оптичну систему, пошкодить оптичні компоненти, і тоді деякі дослідники припустили, що такі методи, як модифікація поверхні мідного порошку та зменшення довжини хвилі лазера, можуть покращити високу відбивну здатність міді. У першому обладнанні для формування лазерного селективного плавлення використовувалися лазери з низькою потужністю, поганою стабільністю та низькою якістю променя, тому було важко досягти повного плавлення мідного порошку. Лише порошок сплаву з низькою температурою плавлення або високою швидкістю лазерного поглинання можна додавати до мідного порошку як сполучну речовину. Під час лазерного сканування сполучна речовина плавиться з утворенням рідкої фази, яка заповнює пори між частинками мідного порошку та твердне для досягнення спікання. Підготовка деталей. Цей метод називається «метод непрямого спікання». Хоча таким чином можна досягти повного друку всієї частини, деякі пов’язані дослідники виявили, що отримані частини менш щільні.
В академічному середовищі Гу Дундон з Нанкінського університету аеронавтики та астронавтики використовував СО2-лазер із максимальною вихідною потужністю 1 кВт, попередньо легований порошок CuSn як сполучну речовину та CuP як розкислювач для спікання порошку Cu плюс CuSn плюс CuP для отримання щільного порошку. 82 відсотки мідних деталей. Tang Y та ін. використав лазер потужністю 200 Вт для лазерного спекання порошку Cu плюс Cu3P із попередньо легованим металевим порошком Cu3P як сполучною речовиною та, нарешті, підготував деталь із щільністю 76 відсотків. Крім того, вітчизняні виробники, такі як Shenghua 3D, також досліджували непрямий 3D-друк і формування мідних матеріалів і зробили прорив.
Підводячи підсумок, можна побачити, що ранні відповідні дослідження все ще обмежені впливом потужності лазера та якості променя, що робить щільність підготовлених деталей низькою та якість формування поганою. Це вимагає використання більш потужних і якісних лазерів, щоб подолати труднощі, пов’язані зі швидкістю поглинання міддю лазерного світла, і створити стабільні умови формування, щоб покращити якість і продуктивність лазерного селективного плавлення та формування мідних деталей.
З безперервним розвитком лазерних технологій стабільність і якість променя лазерів також постійно вдосконалювалися, і деяке лазерне обладнання з високою якістю променя, високою стабільністю та високою потужністю було введено в експлуатацію. Деякі дослідники експериментували з цим типом обладнання та виявили, що щільність деталей була значно покращена. Ликов П. А. та ін. використовував обладнання Pro DM125 для приготування зразків чистої міді з різними параметрами процесу. За умов потужності лазера 200 Вт, швидкості сканування 100 мм/с, міжрядкового інтервалу 0,12 мм, товщини шару 0,05 мм отримані зразки чистої міді щільністю Отримано 88,1 відс. Зразки міді. Ikeshoji TT та ін. використовували високопотужне одномодове волоконно-лазерне лазерне обладнання SLM потужністю 1 кВт за умови потужності лазера 800 Вт і швидкості сканування 300 мм/с, отримали зразок чистої міді з щільністю 96,6 відсотка та вивчили вплив відстані сканування на формування Відповідно до впливу якості заготовки, виявлено, що коли відстань сканування становить близько 0,1 мм, щільність отриманого зразка є найвищою. Colopi M та ін. використовували те саме лазерне обладнання SLM для приготування зразків чистої міді з щільністю понад 97 відсотків. Jadhav SD та ін. використовували високопотужне волоконне лазерне обладнання для отримання зразка з щільністю до 98 відсотків за умов процесу з щільністю енергії 740-1120Дж/мм3.
Хоча ущільнення сформованих деталей можна досягти шляхом збільшення потужності лазера та оптимізації процесу формування, лазер, відбитий назад до оптичної системи, зруйнує оптичне покриття та ще більше пошкодить лазер. Тому покладатися лише на покращення якості променя лазера та збільшення потужності лазера не є ефективним і здійсненним рішенням. Лише зменшення відбивної здатності міді до потужності лазера є ефективним способом вирішення цієї проблеми. Оскільки мідь має ступінь поглинання лазера понад 60 відсотків для довжин хвиль менше 515 нм. Таким чином, зменшення довжини хвилі лазера та збільшення швидкості поглинання міді лазером є ключем до реалізації лазерного селективного формування міді.
зелений лазер
Щоб вирішити проблему високого відбиття міддю лазерного світла, деякі зарубіжні дослідницькі установи почали використовувати нещодавно розроблені потужні лазерні джерела, які працюють у видимому діапазоні довжин хвиль, і спробували використовувати лазерне обладнання з довжиною хвилі 515 нм (зелений лазер). ) для експериментів. Покращений зв'язок енергії лазера та міді.
У 2017 році дослідники з Інституту лазерних технологій Фраунгофера в Німеччині взяли на себе провідну роль у дослідженні екологічного лазерного друку чистої міді. Вони розробили систему селективного лазерного плавлення зеленого лазера (SLM) для чистої міді або мідних сплавів. 3D-друк, технологія отримала назву «Green SLM».
У листопаді 2022 року компанія Trumpf (TRUMP) продемонструвала новітній 3D-принтер-TruPrint 5000 і технологію зеленого лазера на Франкфуртській міжнародній виставці Formnext. У 2021 році TRUMP випустив свій високопотужний безперервний зелений дисковий лазер потужністю 3 кВт. Повідомляється, що середня вихідна потужність цього продукту становить 3 кіловати, що є найсильнішою потужністю в поточній серії зелених лазерів, і дуже підходить для зварювання матеріалів з високим рівнем відбиття, таких як мідь і алюміній, особливо літію. акумуляторна промисловість, представлена новими енергетичними акумуляторами для транспортних засобів. Зелений лазер Trumpf (1000-3000W) може досягти зварювання до 120 шарів мідної фольги, майже без бризок, а глибина проникнення є точною та контрольованою. Крім того, потужне зелене світло також має видатні переваги в застосуванні адитивного виробництва чистих мідних матеріалів - 3D-друк.
У 2018 році Shimadzu Corporation (Японія) випустила на комерціалізацію діодний лазер BLUE IMPACT із синім ударом, який може виробляти 100 Вт потужності при високій яскравості. Цей продукт розроблено корпорацією Shimadzu у співпраці з університетом Осаки в Японії в рамках національного проекту в Японії. Лазер BLUE IMPACT поєднує в собі багато синіх лазерних діодів з нітриду галію (GaN) від Nichia Chemical Corporation (Японія), з 2006 року вдвічі ефективність і вихідна потужність на порядок. Основним застосуванням 450-нм синього діодного лазера Shimadzu є 3D-друк мідних матеріалів.
Вищезгаданий зелений лазер був відкритий у 1960-1980-х роках. У той час люди використовували різні нелінійні кристалічні матеріали для створення внутрішньорезонаторних лазерів Nd:YAG з подвоєнням частоти для отримання джерел зеленого світла. У 1990-х роках повністю твердотільні зелені лазери з високою потужністю та високою частотою повторення, які мають такі переваги, як тривалий термін служби, висока надійність, малий розмір і висока ефективність, досягли безпрецедентного розвитку. З підвищенням якості вітчизняних напівпровідникових лазерів і зниженням ціни на іноземні напівпровідникові лазери дослідження вітчизняних повністю твердотільних потужних зелених лазерів також досягли значного прогресу.
Доведено, що використання зелених лазерів краще з’єднує мідь у зварювальних роботах. Фактично, зелені довжини хвилі (λ=532 або 515 нм) легше поглинаються чистою міддю не лише у твердому, але й у рідкому стані. Очікується, що відповідні показники поглинання складатимуть від 40 до 60 відсотків у твердому стані та від 25 до 50 відсотків у рідкому стані. Згідно з результатами досліджень Німецького інституту фотонної технології, коли мідь перебуває у твердому стані при кімнатній температурі при 20 градусах, швидкість поглинання смуги зеленого світла становить близько 40 відсотків; Натомість він впав приблизно на 5 відсотків. Тобто поглинання зеленого світла дещо зменшується після плавлення міді. Ця функція допомагає досягти стабільного невеликого отвору та майже нульового розбризкування під час обробки міді. Це очевидна перевага зеленого лазера над інфрачервоним лазерним зварюванням. Тому сприяння широкому використанню зелених лазерів на міді L-PBF є головною метою поточної дослідницької роботи.
синій лазер
Другим можливим способом покращення зв’язку енергії між лазером і міддю є використання джерела синього лазера, отже, високопотужні сині діодні лазери з довжиною хвилі 450 нм також є сильними кандидатами для лазерного 3D-друку міді.
У дослідженні чистої міді та сплаву Cu-6Sn Hummel та ін. зазначив, що швидкість поглинання міддю для синього лазерного світла навіть перевищує 515–530 нм, і швидкість поглинання досягає 80 відсотків у провідному стані зварювання, тоді як при 515 нм – 60 відсотків. Однак, незважаючи на те, що вже розробляються більш високі потужності, існуючі сині лазерні діоди все ще мають обмежену яскравість і доступний сфокусований діаметр променя, що обмежує їх можливе застосування в L-PBF, оскільки це вимагає більш високої швидкості сканування для лазерного зварювання.
картина
△ Мідь, золото, алюміній та інші матеріали поглинають синє лазерне світло краще, ніж інші довжини хвилі лазерного світла. Зображення надано NUBURU/NASA 1969
У травні 2022 року Antarctic Bear дізнався, що Essentium, виробник оригінального обладнання, що стоїть за технологією 3D-друку високошвидкісної екструзії (HSE), і NUBURU, фахівець з промислових лазерів, об’єдналися для розробки нового металевого 3D-принтера на основі блакитного лазера, який може вирішувати болючі точки легкого відображення та складного формування в традиційному процесі 3D-друку металу міді/золота/алюмінію/нержавіючої сталі та інших металів. Повідомляється, що нова лазерна металева 3D-друкарська машина буде інтегрувати власну технологію синього лазера NUBURU і матиме можливість обробляти матеріали у формі подачі дроту, тому ми можемо зробити висновок, що вона працює за принципом спрямованого осадження енергії (DED). Крім того, NUBURU стверджує, що технологія синього лазера може забезпечити 3D-друк у 10 разів швидше, ніж конкуренти, а також друкувати метал із дуже високою щільністю.
картина
△Блакитний лазер NUBURU. Фото через NUBURU.
NUBURU, ще одна компанія, що зосереджена на потужних синіх лазерних технологіях, залучила 20 мільйонів доларів для розробки промислових виробничих ліній і розвитку ринків накопичувачів енергії, електромобілів і 3D-друку. Лазерне плакування та лазерне осадження металу (LMD) — це два застосування, де сировину нагрівають до точки плавлення та прилипають до поверхні. Згідно з NUBURU, переваги технології синього лазера дозволяють наносити мідь на нержавіючу сталь (і навпаки). Промислові сині лазери можуть шар за шаром осаджувати метал міді. Ця перевага поширюється на адитивний процес виробництва лазерного осадження металу (LMD). Для золота, міді, алюмінію та інших відбиваючих металів синій лазер може створювати швидше, ніж інфрачервоні лазери, які працюють у 10 разів швидше та забезпечують вищу якість.
білий ведмідь короткий зміст
Вищенаведене дослідження доводить, що як зелений лазер, так і зелений лазер можна використовувати як переважне джерело світла для 3D-друку металевих матеріалів із високим відбиттям, а 3D-друк матеріалів із чистої міді може добре вирішити пов’язані проблеми та досягти більшої щільності. Однак вартість цих двох лазерів на даний момент все ще висока, і вдосконалення та зниження вартості зелених/синіх лазерів все ще є проблемами, які потрібно вирішити в майбутньому. Передбачається, що якщо технологію лазерного 3D-друку можна буде застосовувати до чистих мідних матеріалів у великих масштабах, розмір ринку 3D-друкованих мідних матеріалів буде ще більше розширений.
