純銅及銅合金是應用最廣泛的金屬材料之一，僅次於鐵和鋁，也是人類最早使用的金屬之一。 銅及銅合金具有一系列優良特性：高導電性、高導熱性、耐腐蝕性、耐磨性、抗菌性等，廣泛應用於電力、電子、通訊、化工、汽車、軌道交通、海洋工程、航空航天、生活配件等領域。
與傳統的加工製造技術相比，純銅-銅合金的粉末床雷射熔化技術能更好地發揮銅的優良效能，在電子、電力、汽車、航空航天等對導熱導電性要求較高的領域具有廣闊的應用前景。 國內外研究團隊積極開展純銅-銅合金粉末床雷射熔化研究，不僅顯示了該技術的巨大應用潛力，但也暴露出諸多問題和挑戰，如純銅對紅外雷射的吸收率極低、成型樣品密度低、 高孔隙率、分層和開裂。這些問題是純銅及銅合金粉末床選擇性雷射熔融（LPBF）增材製造技術產業化應用發展的主要障礙，無法對銅及銅合金進行高效、高質量的增材製造，極大地限制了LPBF增材製造技術對銅等優良材料的賦能， 具有高反射性、高導電性和高導熱性。
以單模連續光纖綠光雷射器為能量的粉末選擇性雷射熔融增材製造技術是克服純銅及銅合金等高反射金屬增材製造挑戰的途徑之一。 近日，熙和增材發表文章，分析了全球綠色雷射器的發展現狀，綠色雷射3D列印技術在純銅及銅合金增材製造領域的獨特優勢和應用案例。 本期，3D科學谷將分享文章。
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綠色雷射3D列印銅材解決方案
純銅及銅合金對近紅外雷射器（如1064nm雷射器）的高反射率、高導熱係數和低熔體粘度是影響銅材料列印的主要因素。 銅的高反射率使近紅外雷射束的能量被反射95%以上，不僅不會加熱材料，還會對器件的核心光學元件造成很大的損壞銅的高導熱性使熔體熱量迅速傳遞到周圍的粉末中，這使得很難形成平滑規則的熔體路徑，並且隨著印刷的進行，底層的凝固部分也可能被重熔，這加劇了不穩定的發生理想的粉末床選擇性雷射熔體增材製造熔池應該是光滑均勻的，但銅熔體的低粘度導致熔池中的熔體流動，沒有足夠的熱量使周圍的粉末完全熔化，導致周圍形成熔渣。
由於純銅及銅合金優異的導熱導熱性和導電性，結合粉末床選擇性雷射熔化增材製造技術和3D列印複雜結構的能力，具有巨大的市場潛力，國內外各研究機構為提高純銅及銅合金的成形質量和成形效率做出了各種努力， 並促進其工業應用的發展。例如，在純銅中加入預合金化元素會降低其對近紅外雷射的反射率，或通過對純銅和銅粉進行表面改性提高材料的雷射吸收率，並獲得更高的密度，但合金元素的加入會大大降低其導電性和導熱性;此外，通過提高近紅外雷射器的功率，可以提高成型質量。 例如，華南理工大學增材製造實驗室採用自主研發的LPBF增材製造裝置，形成雷射功率為350W的純銅，密度高達939%。Ikeshoji等人利用LPBF技術在800W的高雷射功率下形成純銅，並獲得96的密度6% 立方體。 JADH**等人使用配備1kW高功率光纖雷射器的LPBF器件，形成了密度超過98%的純銅立方體形原型。 採用科洛皮等人採用的高功率單模光纖雷射器LPBF形成純銅，樣品密度最高達到991%。研究表明，使用高功率雷射器形成銅零件會增加反衝壓力，並產生汽化和飛濺等不良現象。 同時，由於純銅的高反射率，增加雷射功率會加速雷射器等光學元件的損壞。 因此，增加雷射功率可以在一定程度上提高純銅及銅合金的成形質量，但並不是最佳的成形方案。 例如，香港理工大學使用非常小的聚焦光斑（25 m）、非常小的層厚（10 m）、非常小的粒徑銅粉（5-25 m）和小的掃瞄距離（50 m）進行列印，密度高達996%。但是，這種列印效率較低。 為了找到一種質量更高、效率更高的銅材料成型方式，國內外研究人員對比了銅材料對不同波長雷射器的吸收率，發現銅對藍光和綠光雷射器的吸收率比紅外雷射器高十倍以上，使用藍光、綠光等短波長雷射器對優質純銅及銅合金LPBF。同時，由於大功率藍光雷射器主要通過幾個藍光半導體晶元的光束組合耦合到多模大芯光纖輸出，因此無法達到與目前常用的紅外連續光纖雷射器（m2 105）、高亮度和長期功率穩定性（年功率衰減率為5%），而以單模紅外連續光纖雷射器為基準的單模連續光纖綠光雷射器已達到500W-1000W，在雷射功率、光束質量和穩定性方面可以滿足優質高效的純銅及銅合金LPBF製造。德國的Samira Gruber等人使用綠色雷射LPBF裝置列印了密度高達99的純銅樣品95%，電導率高達100%IACS;Sung-Gyu Kang等人在使用綠色雷射裝置列印純銅晶格結構方面也取得了良好的效果。 因此，以單模連續光纖綠光雷射器為能量的LPBF裝置是製造高質量、高效率的純銅及銅合金的最可靠途徑。
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隨著短波雷射器功率和光束質量的不斷突破，特別是單模連續綠光雷射器功率達到500W、700W、1000W，純銅及銅合金的成形策略和成形條件得到優化，銅材料增材製造難題被打破。 為其在電子電氣、汽車、航空航天等對導熱導電性要求較高的領域的廣泛應用奠定了堅實的基礎。
通快：2024年底，通快推出全球首款商用綠色雷射金屬3D列印裝置，率先將新型TruDisk 1020圓盤雷射器與TruPrint 1000 3D印表機連線，成功實現了關鍵銅部件純銅射頻四極加速器（RFQ）的整體列印。 盤式雷射器又稱盤式雷射器，在雷射工作物質的形狀上與傳統的固態雷射器有本質區別，將傳統固態雷射器的棒狀晶體變為盤狀晶體。 它具有功率穩定性高的優點，但由於它是多模光纖輸出（50um na01）聚焦光斑的直徑大於單模光束的直徑。
圖1通快 3D 列印射頻四極杆加速器 （RFQ）。
IPG：早在2024年底，IPG就發布了輸出功率高達500W的單模QCW（脈衝）綠光光纖雷射器。 目前，金屬3D列印的主流是單模連續光纖雷射器，由於脈衝雷射器不能連續產生光，理論上不能完全適應LPBF工藝的需要，金屬3D列印市場很少使用QCW單模光纖雷射器的相關報道。 據悉，目前國內外部分金屬3D列印廠家正在測試中，但測試結果尚未公布。
圖2IPG QCW綠色單模光纖雷射器。
熙和增材：母公司工達雷射是目前國內唯一一家實現批量生產和交付100W以上高功率綠光光纖雷射器、單模連續綠光光纖雷射器的廠商，雷射功率覆蓋500W、700W、1000W，熙和增材已於2024年9月面向全球市場推出首款面向市場的綠光雷射金屬印表機XH-M160G。
圖3工達雷射單模連續綠光光纖雷射器。
圖4西和增材綠雷射金屬印表機XH-M160G
高功率單模連續綠光雷射器由於波長短、光束質量優異，在銅及銅合金的增材製造中具有明顯的優勢，雷射吸收率高、聚焦光斑小，使其在銅及銅合金增材製造中具有更高的成形效率、更好的成形質量、更高的列印解像度和更大的工藝視窗。
圖5典型粉末材料對每個波長雷射的吸收率。
圖6單模連續綠光光纖雷射列印純銅（羲和新增劑）（密度99.）。5%）
圖7單模連續綠光雷射器在銅和銅合金增材製造中的優勢。
綠色雷射3D列印不僅實現了純銅及銅合金的高效高質量列印，還擴大了LPBF增材製造工藝的可列印材料範圍，為複合材料的3D列印提供了更多的可能性。 使用具有不同物理特性的多種材料的3D列印將為製造高度複雜、輕量化的部件提供前所未有的設計自由度，從而為工業應用創造新的發展高度。 例如，一體化鋼銅換熱散熱器，由銅合金和鉻鎳鐵合金組成的推力室等，可以為行業的發展提供巨大的推力。
圖8由外國公司製造的多材料3D列印零件。
綠色雷射3D列印銅材案例介紹
純銅（紫銅）在導電性和導熱性上僅次於銀，是最合適的電導體和熱導體，廣泛用於導電和熱管理裝置的製造。 純銅還具有優良的耐腐蝕性，在大氣、海水和一些非氧化性酸（鹽酸、稀硫酸）、鹼、鹽溶液和多種有機酸（醋酸、檸檬酸）中具有良好的耐腐蝕性，廣泛應用於化工等領域。 在增材製造技術的賦能下，純銅可以發揮更大的效率，熙和增材採用單模連續綠光光纖雷射器作為光源，經過整合優化3D列印純銅零件密度大於995%，電導率超過98% IACS通過簡單退火後，電導率在100%IACS以上，達到1015%iacs。例如，純銅3D列印換熱器、散熱器、感應熱處理感應器、電機繞組等方向均已得到應用，並體現其獨特的優勢，如3D列印純銅換熱器、換熱器優異的散熱、換熱效能，以及出色的整合化、小型化、輕量化能力，都為產品帶來了明顯的競爭優勢。 又如純銅印刷的熱處理用復合電感器，該電感器一體化成型，與加熱產品高度共形，尺寸精度高，一致性高，有效解決了傳統製造方法複雜電感器需要大量焊接、整體導電率低、成本高、尺寸精度低、一致性差等問題。 它更能製造結構優良但傳統方法難以製造的電感器，不僅提高了加熱產品的質量，而且使複雜電感器的壽命提高了2-4倍。
圖9（A）EOS 3D列印新型純銅散熱片，（B）熙和增材3D列印新型純銅散熱片。
圖10（A）通快3D列印純銅散熱器，（B） （C）熙和新增劑XH-M160G 3D列印純銅換熱器。
圖11熙和增材XH-M160G 3D列印純銅熱處理感測器。
圖12熙和增材XH-M160G 3D列印純銅電機繞組。
CUSN10合金強度高，耐磨性和耐腐蝕性優異，可用於製造刀片、齒輪等耐磨零件，常用於工藝品印刷，如在青銅文物的保護、修復、複製、展示等方面發揮越來越大的作用。 它也是目前用於LPBF印刷的銅合金材料之一。
圖13由Concept Laser印刷的騎馬者青銅雕像。
圖14AMCM使用銅合金印刷的E-1火箭發動機燃燒室。
CucrZR合金是一種具有優良機械效能的沉澱硬化合金，廣泛用作燃燒室、熱核實驗堆壁、液體火箭發動機零件等。 近年來，國內外航天單位圍繞火箭發動機推力室零件的增材製造開展了較多的研發工作，而CUCRZR是目前的可選材料。 值得一提的是，火箭發動機零部件所用的銅合金材料仍在更新迭代中，相繼應用研究了CUZR、CUCR、CUAGZR、CUCRNB等材料，尤其是正在NASA增材製造中驗證的GRCOP-42（CU-4CR-2NB AT%），有望將火箭發動機燃燒室材料提公升到乙個新的水平。
圖15 （a）SPEE3D列印的銅火箭噴嘴內襯 （b）羲和增材列印的銅燃燒室襯裡。
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