南科大：金、银、铜等典型高反射材料的激光增材制造

　　激光增材制造金银材料可用于艺术品、首饰、手表等的定制化制造。铜是传统工业的重要材料，具有良好的导电性和导热性；铜的激光增材制造材料被广泛用于电子设备、热管理系统、交通运输、工业制造等领域。金、银、铜的激光增材制造具有广阔的应用前景，但也面临着重要问题:金、银、铜材料对激光的吸收率很低。

　　近日，来自南方科技大学和香港科技大学的研究人员总结了金、银、铜等高反射率材料的激光增材制造的面临的问题和原料端现状，同时对这些材料的激光增材制造的未来发展趋势做出了展望。本期，3D打印技术参考对此进行介绍。

　　金、银、铜激光增材制造面临的重要问题

　　金、银、铜材料对激光的吸收率很低。市面上大多数打印机用的是波长为1064nm左右的激光器。在此波长下，三种材料的反射率都达到了95%以上。如此高的反射率使金属粉末无法吸收足够的激光能量，导致熔化不充分，熔体湿润性差，难以铺展开，导致气孔和球化现象，打印态材料致密度低、性能差；同时打印中反射的激光可能会损害打印机的光学系统。

　　部分金属的反射率(室温下)曲线

　　长波长下的反射率总体高于短波长下情况

　　克服高反射率成为采用激光增材制造打印金、银、铜等材料的关键，而另一方面，可供打印的贵金属粉末材料稀缺，高纯度的金粉和银粉甚至没有供应商。

　　增材制造用金、银、铜原料端现状

　　作为金属激光增材制造产业链的重要环节，用于增材制造的金属粉体的制备及供应深受业界重视。研究人员调查发现，现阶段用于3D打印的铜及铜合金粉材供应面临以下两点挑战:

　　(1)供应商少，由于铜和铜合金并非激光增材制造的主流材料，许多国内外知名的增材制造金属粉体供应商并不供应铜和铜合金粉末；

　　(2)制粉技术不成熟。可供应铜和铜合金的厂商一般同时供应其他种类的增材制造粉末，如钛合金、钢、钴基合金、镍基合金等，并不专注于铜和铜合金的制备，这导致用于3D打印的铜和铜合金制粉技术不成熟，厂商可制备的铜合金粉体种类较少。

　　铜和铜的预合金粉末在1064nm波长下的反射率

　　专注于金、银等贵金属打印粉体生产和供应的厂商主要集中在欧洲，美国也有分布。用于制造首饰和手表的贵金属金银粉体主要为18K金粉及925银粉，应用于牙科的则是各种不同金含量的合金粉末。高纯度金粉和银粉没有供应商。

　　另一方面，金、银等贵金属的传统加工方法为在空气中熔炼，然后将液态贵金属倒入模具中浇铸出铸件，设备成本低。而采用激光增材制造的方法，虽然跳过了模具制作、熔炼和浇铸步骤，提高了定制化珠宝和少量零部件的生产效率，却增加了设备和粉末的成本。目前市面上能打印贵金属的打印机种类有限，售价高昂，如适用于打印金、银及其合金的EOSPre-ciousM080。因为激光增材制造对粉体要求高，贵金属粉材的制作、保存成本也非常高。

　　Cooksongold供应的18K 3N黄金粉、

　　925银粉及打印效果

　　此外，国内增材制造粉体生产起步较晚，有少量公司可供应铜及铜合金粉材，但没有贵金属粉的供应商。且国内制粉公司面临着宣传有限等问题，许多公司的网站上甚至难以找到其供应的粉体信息。

　　金、银、铜等高反射率材料的激光增材制造现状

　　直接进行纯铜的激光3D打印难度很高，但最近几年研究人员已做了一些尝试。实验结果表明, 使用高功率激光可以提升激光打印纯铜的效果，相对密度甚至可以达到99%。然而, 使用高功率激光难以保证安全性,纯铜反射的激光可对打印机光学系统造成严重损害。目前，虽然一些主流的设备商宣称已经成功打印出纯铜产品，但在工业化应用中真正大规模打印纯铜的案例其实非常鲜见。

　　使用高功率激光打印纯铜12 h后的反射镜

　　长时间暴露在反射激光下造成的损伤

　　对铜合金的打印研究则集中在锡青铜、形状记忆铜合金、黄铜，以及其他一些铜合金（铜和铜合金的激光3D打印案例图表详情，请查阅原文）。

　　金的激光3D打印最早见于英国团队在2008年对24K纯金的选区激光熔化研究. 在固定搭接间距与层厚的情况下, 他们探索了不同打印参数的打印效果,并绘制了24K金的打印工艺窗口，确定了最佳参数. 基于此打印出的黄金小方块层间孔隙很多,说明直接打印纯金不能得到致密的样品。其他研究则多集中在18K金的选区激光熔化，包括打印工艺以及粉末特性对成型的影响等等。

　　EOSPre-ciousM080纯金打印过程

　　银的3D打印也多停留在研究层面, 如工艺优化、数值模拟以及组织分析等。2012年有研究人员采用优化的工艺参数打印了复杂的多层结构戒指。

　　英国cooksongold打印的贵金属艺术品

　　然而受台阶效应和球化现象的影响，用选区激光熔化制造的产品表面质量与传统失蜡法浇铸的珠宝相比较差, 需要磨抛等后处理工艺。而由于产品形状复杂，后处理常常会用到手工打磨的方式，这增加了时间和金钱成本，成为贵金属激光打印的重要限制因素。

　　END

　　金、银、铜的激光增材制造具有广阔的应用前景, 但确实也面临着很多重要问题。理论分析指出光吸收率受材料的电导率和激光波长的直接影响，可采用混合粉末或表面改性的粉末替代原始预合金化粉末进行打印, 或用短波长蓝光或绿光激光打印, 是提高粉体对激光的吸收率、得到品质优良的打印态样品的行之有效的手段。