Rent kobber er et mye brukt materiale i elektronikk og kraftproduksjon på grunn av sin høye termiske og elektriske ledningsevne. Tilsvarende applikasjoner involverer ofte komplekse geometrier kombinert med helt tette materialer for å forbedre elektrisk ledningsevne. For slike applikasjoner ser additiv produksjon (AM) ut til å være tilstrekkelig for nye design.
Mer presist ser den høye nøyaktigheten og romlige oppløsningen som tilbys av Laser Powder Bed Fusion (L-PBF)-teknologi ut til å være spesielt godt egnet til å lage svært komplekse former og redusere materialavfall i prosessen. På grunn av den høye reflektiviteten og den høye termiske ledningsevnen til kobberpulver under laserinfrarød laserstråling, er det imidlertid fortsatt et reelt teknisk problem å fremstille rene kobbermaterialer med lav porøsitet ved hjelp av tradisjonell L-PBF-metode.
Pulveregenskaper til kobberpulver
Kobber har utmerket termisk ledningsevne, elektrisk ledningsevne og god korrosjonsmotstand og duktilitet, og i metallsystemet har kobber et bredt spekter av kilder og lave kostnader, og kan brukes mye på mange felt som elektriske og termiske materialer, biomedisin, etc. . Kobber har høy reflektivitet til laserlys, med en reflektivitet på mer enn 90 prosent for lasere med bølgelengde større enn 1060 nm, og en absorpsjonshastighet på mer enn 60 prosent for lasere med bølgelengde 515 nm. I dette tilfellet gir disse egenskapene til kobber utfordringer i behandlingen av additiv produksjonsteknologi. Kobber har en relativt høy varmeledningsevne. Under formingsprosessen vil varme raskt overføres til smelteområdet, noe som resulterer i Høyere lokale termiske gradienter kan lett føre til prosessfeil som lagkrølling, delaminering og delvis delfeil. I tillegg vil den høye duktiliteten til kobber gjøre det vanskelig å fjerne og resirkulere restpulver fra dannede deler. I tillegg har kobberpulver høy overflateaktivitet og er lett å oksidere. Kobberpulver krever spesiell håndtering og lagring.
Begrensningene til kobbers høye termiske ledningsevne og høye refleksjon av laserlys gjør det vanskelig å kontrollere formingsprosessen for kobberpulvertilsetningsproduksjonsteknologi, og formingsprosessen er vanskelig. For tiden ligger forskningen og anvendelsen av 3D-utskrift av kobber bak noen andre vanlige metallmaterialer. Kobber, som et typisk strukturelt funksjonelt integreringsmateriale, har et bredt spekter av additiv produksjonsbehov og er et forskningshotspot i 3D-utskriftsindustrien.
Tekniske vanskeligheter med tradisjonell laserpulversengfusjonsdannende kobber
Varmekilden til den laserselektive smelteteknologien er laserstrålen. Den høye reflektiviteten til kobber til laseren fører til at det meste av laserenergien reflekteres tilbake til det optiske systemet under formingsprosessen, og bare en liten del av energien absorberes av kobberpulveret. Xi-bergarten er fullstendig smeltet, og delene er utsatt for defekter som porer og sprekker, noe som gjør det vanskelig å danne laserselektivt smeltende kobber. For tiden, innen forskningsfeltet laserselektiv smelting og dannelse av kobber, fokuserer relatert forskning hovedsakelig på å forbedre tettheten til deler.
Tidlig forskning var begrenset av maskinvarefasiliteter som laserutstyr. Under formingsprosessen var det vanskelig for laseren å smelte kobberpulveret fullstendig, og det var vanskelig å forberede tette deler. Med den kontinuerlige utviklingen av laserteknologi har ytelsen til laserutstyr blitt kontinuerlig forbedret, og høy effekt kan brukes til å øke tettheten til deler. Imidlertid vil laseren som returneres til det optiske systemet skade de optiske komponentene, og så foreslo noen forskere at metoder som å modifisere overflaten av kobberpulver og redusere laserbølgelengden kan forbedre kobberets høye reflektivitet. Det tidlige laserselektive smelteformingsutstyret brukte lasere med lav effekt, dårlig stabilitet og lavstrålekvalitet, så det var vanskelig å oppnå fullstendig smelting av kobberpulver. Kun legeringspulver med lavt smeltepunkt eller høy laserabsorpsjonshastighet kan tilsettes kobberpulveret som et bindemiddel. Under laserskanning smelter bindemidlet for å danne en flytende fase som fyller porene mellom kobberpulverpartiklene og størkner for å oppnå sintring Forberedelse av deler. Denne metoden kalles "indirekte sintringsmetode". Selv om fullstendig utskrift av hele delen kan oppnås på denne måten, har noen beslektede forskere funnet ut at de oppnådde delene er mindre tette.
I akademia brukte Gu Dongdong fra Nanjing University of Aeronautics and Astronautics en CO2-laser med en maksimal utgangseffekt på 1 KW, forhåndslegert CuSn-pulver som et bindemiddel og CuP som et deoksideringsmiddel for å sintre Cu pluss CuSn pluss CuP-pulver for å lage et tett pulver. 82 prosent kobberdeler. Tang Y et al. brukte en 200 W laser for å lasersintre Cu pluss Cu3P-pulver med forhåndslegert metallpulver Cu3P som bindemiddel, og til slutt preparerte en del med en tetthet på 76 prosent. I tillegg har innenlandske produsenter som Shenghua 3D også gjort undersøkelser innen indirekte 3D-utskrift og forming av kobbermaterialer, og har gjort gjennombrudd.
Oppsummert kan det sees at den tidlige relaterte forskningen fortsatt er begrenset av påvirkningen av laserkraft og strålekvalitet, noe som gjør tettheten til de preparerte delene lav og formingskvaliteten dårlig. Dette krever bruk av lasere med høyere effekt og bedre kvalitet for å overvinne vanskeligheten med kobbers absorpsjonshastighet for laserlys og produsere stabile formingsforhold, for å forbedre kvaliteten og ytelsen til laserselektiv smelting og forming av kobberdeler.
Med den kontinuerlige utviklingen av laserteknologi har også stabiliteten og strålekvaliteten til lasere blitt kontinuerlig forbedret, og noe laserutstyr med høy strålekvalitet, høy stabilitet og høy effekt er tatt i bruk. Noen forskere eksperimenterte med denne typen utstyr og fant ut at tettheten til deler ble kraftig forbedret. Lykov PA et al. brukte Pro DM125-utstyr for å klargjøre rene kobberprøver med forskjellige prosessparametere. Under forholdene med lasereffekt 200 W, skannehastighet 100 mm/s, linjeavstand 0,12 mm og lagtykkelse 0,05 mm, prøver av rene kobber med en tetthet på 88,1 prosent ble oppnådd. Kobberprøver. Ikeshoji TT et al. brukte 1KW høyeffekts enkeltmodus fiberlaser SLM-utstyr, under betingelser med lasereffekt på 800 W og skannehastighet på 300 mm/s, oppnådde en ren kobberprøve med en tetthet på 96,6 prosent, og studerte effekten av skanneavstand ved forming I henhold til påvirkningen av kvaliteten på arbeidsstykket, er det funnet at når skanningsavstanden er ca. 0,1 mm, er tettheten til prøven som oppnås høyest. Colopi M et al. brukte det samme laser-SLM-utstyret for å forberede rene kobberprøver med en tetthet større enn 97 prosent. Jadhav SD et al. brukte høyeffekts fiberlaserutstyr for å få en prøve med en tetthet på opptil 98 prosent under prosessforholdene med en energitetthet på 740-1120J/mm3.
Selv om fortetting av formede deler kan oppnås ved å øke laserkraften og optimalisere formingsprosessen, vil laseren som reflekteres tilbake til det optiske systemet ødelegge det optiske belegget og skade laseren ytterligere. Derfor er det ikke en effektiv og gjennomførbar løsning å stole utelukkende på å forbedre strålekvaliteten til laseren og øke lasereffekten. Bare å redusere refleksjonsevnen til kobber til laserkraft er en effektiv måte å løse dette problemet på. Fordi kobber har en laserabsorpsjonshastighet på mer enn 60 prosent for bølgelengder mindre enn 515nm. Derfor er det å redusere laserbølgelengden og øke absorpsjonshastigheten av kobber til laser nøkkelen til å realisere laserselektiv dannelse av kobber.
grønn laser
For å løse problemet med kobbers høye refleksjon av laserlys, begynte noen utenlandske forskningsinstitusjoner å bruke nyutviklede høyeffektlaserkilder som fungerer i det synlige bølgelengdeområdet, og prøvde å bruke laserutstyr med en bølgelengde på 515nm (grønn laser). ) for eksperimenter. Forbedret laser-kobber energikobling.
I 2017 tok forskere ved Fraunhofer Institute for Laser Technology i Tyskland ledelsen i å utforske grønn laserutskrift av rent kobber. De utviklet et grønt laserselektivt lasersmeltingssystem (SLM) for rent kobber eller kobberlegeringer. 3D-printing, teknologien heter "Green SLM".
I november 2022 demonstrerte Trumpf (TRUMP) den nyeste 3D-skriveren-TruPrint 5000 og grønn laserteknologi på Frankfurt International Formnext-utstillingen. I 2021 lanserte TRUMP sin 3 kW høyeffekts kontinuerlige grønne skivelaser. Det rapporteres at den gjennomsnittlige utgangseffekten til dette produktet er så høy som 3 kilowatt, som representerer den sterkeste kraften i den nåværende grønne laserserien, og er svært egnet for sveising av høyreflekterende materialer som kobber og aluminium, spesielt i litium. batteriindustrien representert av nye energibilbatterier. , Trumpf grønn laser (1000-3000W) kan oppnå opptil 120 lag med kobberfoliesveising, nesten ingen sprut, og penetrasjonsdybden er presis og kontrollerbar. I tillegg har grønt lys med høy effekt også enestående fordeler ved bruk av additiv produksjon av rene kobbermaterialer - 3D-utskrift.
I 2018 kommersialiserte Shimadzu Corporation (Japan) sin BLUE IMPACT blåslagsdiodelaser, som kan produsere 100 watt med høy lysstyrke. Dette produktet ble utviklet av Shimadzu Corporation i samarbeid med Osaka University i Japan som en del av et nasjonalt prosjekt i Japan. BLUE IMPACT-laseren kombinerer mange galliumnitrid (GaN) blå laserdioder fra Nichia Chemical Corporation (Japan), og har doblet effektiviteten siden 2006 og øker utgangseffekten med en størrelsesorden. En nøkkelapplikasjon for Shimadzus 450nm blå diodelaser er 3D-utskrift av kobbermaterialer.
Den ovennevnte grønne laseren ble oppdaget i løpet av 1960- til 1980-tallet. På den tiden brukte folk forskjellige ikke-lineære krystallmaterialer for å utføre intrakavitets frekvensdobling av Nd:YAG-lasere for å få grønne lyskilder. På 1990-tallet har all-solid-state grønne lasere med høy effekt og høy repetisjonshastighet, som har fordelene med lang levetid, høy pålitelighet, liten størrelse og høy effektivitet, oppnådd enestående utvikling. Med forbedringen av kvaliteten på innenlandske halvlederlasere og reduksjonen av prisen på utenlandske halvlederlasere, har forskningen på innenlandske all-solid-state høyeffekts grønne lasere også gjort store fremskritt.
Bruken av grønne lasere har vist seg å koble bedre til kobber i sveiseapplikasjoner. Faktisk blir grønne bølgelengder (λ=532 eller 515 nm) lettere absorbert av rent kobber, ikke bare i fast tilstand, men også i flytende tilstand. De tilsvarende absorpsjonshastighetene forventes å være mellom 40 prosent og 60 prosent i fast tilstand og 25 prosent til 50 prosent i flytende tilstand. Ifølge forskningsresultatene gitt av det tyske instituttet for fotonteknologi, når kobberet er i fast tilstand ved romtemperatur ved 20 grader, er absorpsjonshastigheten for det grønne lysbåndet omtrent 40 prosent; I stedet falt den med rundt 5 prosent. Det vil si at absorpsjonen av grønt lys avtar litt etter at kobberet er smeltet. Denne funksjonen bidrar til å oppnå et stabilt lite hull og nesten null sprut ved bearbeiding av kobber. Dette er den åpenbare fordelen med grønn laser fremfor infrarød lasersveising. Derfor er hovedmålet med det nåværende forskningsarbeidet å fremme utbredt bruk av grønne lasere på L-PBF-kobber.
blå laser
En annen mulig måte å forbedre laser-kobber energikobling på er å bruke en blå laserkilde, derfor er høyeffekts blå diodelasere ved en bølgelengde på 450 nm også sterke kandidater for laser 3D-utskrift av kobber.
I studiet av rent kobber og Cu-6Sn-legering, Hummel et al. påpekte at absorpsjonshastigheten til kobber for blått laserlys er enda høyere enn 515–530 nm, og absorpsjonshastigheten er så høy som 80 prosent i ledende sveisetilstand, mens ved 515 nm 60 prosent. Men selv om høyere krefter allerede er under utvikling, er eksisterende blå laserdioder fortsatt begrenset i lysstyrke og tilgjengelig fokusert strålediameter, noe som begrenser deres mulige anvendelse i L-PBF-er, siden dette krever høyere Høyere skannehastighet for lasersveising.
bilde
△ Kobber, gull, aluminium og andre materialer absorberer blått laserlys bedre enn andre bølgelengder av laserlys. Bilde via NUBURU/NASA 1969
I mai 2022 får Antarctic Bear vite at Essentium, den originale utstyrsprodusenten bak High Speed Extrusion (HSE) 3D-utskriftsteknologi, og NUBURU, en industriell laserspesialist, har gått sammen for å utvikle en ny blå laserbasert metall 3D-skriver som kan løse smertepunktene for enkel refleksjon og vanskelig forming i den tradisjonelle metall 3D-utskriftsprosessen av kobber/gull/aluminium/rustfritt stål og andre metaller. Det er rapportert at den nye lasermetall 3D-printermaskinen vil integrere NUBURUs proprietære blålaserteknologi og være i stand til å behandle materialer i form av trådmating, så vi kan slutte at den opererer etter prinsippet om rettet energideponering (DED). I tillegg hevder NUBURU at blå laserteknologi kan muliggjøre 3D-utskrift opptil 10 ganger raskere enn konkurrentene, samtidig som det kan skrive ut metall med svært høye tettheter.
bilde
△En NUBURU blå laser. Foto via NUBURU.
NUBURU, et annet selskap som fokuserer på høyeffekts blå laserteknologi, har samlet inn 20 millioner dollar for å utvikle industrielle produksjonslinjer og utvikle markeder for energilagring, elektriske kjøretøy og 3D-utskrift. Laserkledning og lasermetallavsetning (LMD) er to bruksområder hvor råmaterialet varmes opp til smeltepunktet og festes til overflaten. I følge NUBURU tillater fordelene med dens blå laserteknologi kledning av kobber på rustfritt stål (og omvendt). Industrielle blå lasere kan avsette kobbermetall lag for lag. Denne fordelen strekker seg til lasermetallavsetningsadditive produksjonsprosessen (LMD). For gull, kobber, aluminium og andre reflekterende metaller kan den blå laseren bygge raskere enn infrarøde lasere er 10 ganger raskere og gir høyere kvalitet.
isbjørn sammendrag
Ovennevnte forskning viser at både grønn laser og grønn laser kan brukes som den foretrukne lyskilden for 3D-utskrift av svært reflekterende metallmaterialer, og 3D-utskrift av rene kobbermaterialer kan løse relaterte problemer godt og oppnå høyere tetthet. Imidlertid er kostnadene for disse to laserne fortsatt høye for tiden, og forbedring og kostnadsreduksjon av grønne/blå lasere er fortsatt problemer som skal løses i fremtiden. Det er forutsigbart at dersom laser 3D-utskriftsteknologi kan brukes på rene kobbermaterialer i stor skala, forventes markedsstørrelsen for 3D-utskrift av kobbermaterialer å bli ytterligere utvidet.
