使用藍色激光定向能量沉積，實現最高相對密度99.6%的純銅增材制造
增材制造 (AM) 技術在過去十年中取得了顯著進步，可以快速制造具有復雜幾何形狀和多樣化原料的組件。 因此，通過擴展加工路線，以前具有挑戰性的材料（例如純銅）的增材制造變得更加容易。 然而，之前只有基于粉末床的增材制造工藝（通常配備近紅外激光器或電子束）才被證明可以生產具有明確幾何形狀的大塊純銅部件。 加州大學圣地亞哥分校的研究人員Journal of Manufacturing Processes上發表的論文《Directed energy deposition of pure copper using blue laser》展示了具有明確幾何形狀的塊狀 Cu 部件，該部件通過使用藍色激光的“送粉”-定向能量沉積 (DED) 工藝構建。 生產了體積為 1000 立方毫米的接近全密度（高達 99.6%）的部件，這是迄今為止在激光增材制造中報道的最致密的純銅部件，但與使用近紅外激光構建的類似體積部件相比，其能量密度要低得多 。
本期谷.專欄，將分享以上相關研究論文的主要內容。
相關研究發表在Journal of Manufacturing Processes,Volume 85, 6 January 2023, Pages 314-322
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612522008477?via%3Dihub
研究背景
近年來，金屬增材制造 (AM) 取得了重大進展 。AM增材制造 的設計和制造自由度允許使用多種廣泛使用的金屬材料小批量生產組件，從而顯著降低成本和縮短交貨時間。
© 3D科學谷白皮書
由于 Cu 出色的熱性能和電性能，通過增材制造制造純銅 (Cu) 零件對于熱交換器和電氣元件等各種應用具有可觀的前景。
選區激光熔融 (SLM) 和選區電子束熔融 (SEBM) 已成功制造具有良好相對密度的大塊純銅部件，這是金屬中兩種最常見的基于粉末床的工藝。盡管基于電子束的方法可以更容易地實現純銅的致密化，尤其是對于大體積構建，但使用電子束的局限性，例如需要超高真空，使得目前基于粉末床的工藝的局限性會限制增材制造 Cu 零件的應用范圍。
另一種常用的增材制造技術，定向能量沉積 (DED)工藝將粉末直接送入激光束形成的熔池，尚未廣泛用于生產純 Cu 結構。除了能夠執行與粉末床解決方案類似的制造工藝外，DED 工藝還能夠再制造和維修零件以及實現更大的構建體積。因此，利用純銅的 DED 增材制造引起了汽車和航空航天等多個行業的興趣。
此外，在之前將 SLM 應用于銅加工的工作中，幾乎所有的 Cu 部件都是使用波長在近紅外 (IR) 區域的激光制造的。在這個電磁波譜區域，很大一部分激光能量會被 Cu 反射。因此，必須使用具有非常高功率（從 0.5 千瓦到 1 千瓦）并且以幾十微米的光束直徑運行的激光器來提供足夠的能量密度以實現熔化。材料固有反射率的大量能量損失 (~95%) 會產生大量的能量浪費。此外，據報道，必要的高功率激光器產生的高背反射會損壞光學鏡上的介電涂層，從而縮短設備的使用壽命并進一步增加成本。因此，利用更短波長的新型激光器的策略，可以更有效地被 Cu 吸收，并結合允許更多制造自由度的 DED 定向能量沉積增材制造工藝，預計將引起業界的極大興趣。
研究背景
3D科學谷了解到加州大學圣地亞哥分校論文使用的純度為 99 + % 的氣霧化銅粉由 Oerlikon-歐瑞康提供。樣品是在定制的 Formalloy L221 送粉 DED 系統中制造的，該系統配備了 650 W Nuburu AO-650 藍色激光器，波長為 450 nm，光斑尺寸為 1 mm，在充滿氬氣的惰性氣體中氧氣含量保持在 5 ppm 以下的腔室。激光器和相關的光學器件安裝在一個帶有 z 軸運動的面板上。基板固定在水冷 X-Y 定位臺上。在這項工作中，使用了厚度為 12.7 mm 的 152 mm × 152 mm 的304不銹鋼基板。
所有樣品均使用 1000 毫米/分鐘的激光掃描速度（每層掃描旋轉 90°）和大約 3.0 克/分鐘的粉末進料速率制造。構建了尺寸為 10 × 10 × 10 mm和 20 × 20 × 20 mm的樣品，隨后通過水射流切割從基板上移除。
3D科學谷了解到加州大學圣地亞哥分校目前的工作表明，藍色激光的送粉DED定向能量沉積工藝加工純銅，通過增加激光功率可有效提高密度，但會在構建中產生更高程度的紋理和晶粒柱狀度。
另一方面，增加掃描重疊具有減少紋理和晶粒柱狀度的好處，同時提高零件密度。
在相同的加工參數下，將構建體積從標準的 1000 立方毫米增加到 8000 立方毫米會導致密度降低，但質地和顆粒均勻性有所改善。
下一步的發展包括為了使更大、完全致密的銅部件或其他低藍光反射率金屬的激光增材制造成為可能，或減少紋理化和不均勻的晶粒形態，預計業界將努力生產更高功率的藍色激光器。
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