使用蓝色激光定向能量沉积，实现最高相对密度99.6%的纯铜增材制造

增材制造 (AM) 技术在过去十年中取得了显着进步，可以快速制造具有复杂几何形状和多样化原料的组件。 因此，通过扩展加工路线，以前具有挑战性的材料（例如纯铜）的增材制造变得更加容易。 然而，之前只有基于粉末床的增材制造工艺（通常配备近红外激光器或电子束）才被证明可以生产具有明确几何形状的大块纯铜部件。 加州大学圣地亚哥分校的研究人员Journal of Manufacturing Processes上发表的论文《Directed energy deposition of pure copper using blue laser》展示了具有明确几何形状的块状 Cu 部件，该部件通过使用蓝色激光的“送粉”-定向能量沉积 (DED) 工艺构建。 生产了体积为 1000 立方毫米的接近全密度（高达 99.6%）的部件，这是迄今为止在激光增材制造中报道的最致密的纯铜部件，但与使用近红外激光构建的类似体积部件相比，其能量密度要低得多 。

本期谷.专栏，将分享以上相关研究论文的主要内容。

▲相关研究发表在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

近年来，金属增材制造 (AM) 取得了重大进展 。AM增材制造 的设计和制造自由度允许使用多种广泛使用的金属材料小批量生产组件，从而显着降低成本和缩短交货时间。

©3D科学谷白皮书

由于 Cu 出色的热性能和电性能，通过增材制造制造纯铜 (Cu) 零件对于热交换器和电气元件等各种应用具有可观的前景。

选区激光熔融 (SLM) 和选区电子束熔融 (SEBM) 已成功制造具有良好相对密度的大块纯铜部件，这是金属中两种最常见的基于粉末床的工艺。尽管基于电子束的方法可以更容易地实现纯铜的致密化，尤其是对于大体积构建，但使用电子束的局限性，例如需要超高真空，使得目前基于粉末床的工艺的局限性会限制增材制造 Cu 零件的应用范围。

另一种常用的增材制造技术，定向能量沉积 (DED)工艺将粉末直接送入激光束形成的熔池，尚未广泛用于生产纯 Cu 结构。除了能够执行与粉末床解决方案类似的制造工艺外，DED 工艺还能够再制造和维修零件以及实现更大的构建体积。因此，利用纯铜的 DED 增材制造引起了汽车和航空航天等多个行业的兴趣。

此外，在之前将 SLM 应用于铜加工的工作中，几乎所有的 Cu 部件都是使用波长在近红外 (IR) 区域的激光制造的。在这个电磁波谱区域，很大一部分激光能量会被 Cu 反射。因此，必须使用具有非常高功率（从 0.5 千瓦到 1 千瓦）并且以几十微米的光束直径运行的激光器来提供足够的能量密度以实现熔化。材料固有反射率的大量能量损失 (~95%) 会产生大量的能量浪费。此外，据报道，必要的高功率激光器产生的高背反射会损坏光学镜上的介电涂层，从而缩短设备的使用寿命并进一步增加成本。因此，利用更短波长的新型激光器的策略，可以更有效地被 Cu 吸收，并结合允许更多制造自由度的 DED 定向能量沉积增材制造工艺，预计将引起业界的极大兴趣。

研究背景

3D科学谷了解到加州大学圣地亚哥分校论文使用的纯度为 99 + % 的气雾化铜粉由 Oerlikon-欧瑞康提供。样品是在定制的 Formalloy L221 送粉 DED 系统中制造的，该系统配备了 650 W Nuburu AO-650 蓝色激光器，波长为 450 nm，光斑尺寸为 1 mm，在充满氩气的惰性气体中氧气含量保持在 5 ppm 以下的腔室。激光器和相关的光学器件安装在一个带有 z 轴运动的面板上。基板固定在水冷 X-Y 定位台上。在这项工作中，使用了厚度为 12.7 mm 的 152 mm × 152 mm 的304不锈钢基板。

所有样品均使用 1000 毫米/分钟的激光扫描速度（每层扫描旋转 90°）和大约 3.0 克/分钟的粉末进料速率制造。构建了尺寸为 10 × 10 × 10 mm和 20 × 20 × 20 mm的样品，随后通过水射流切割从基板上移除。

3D科学谷了解到加州大学圣地亚哥分校目前的工作表明，蓝色激光的送粉DED定向能量沉积工艺加工纯铜，通过增加激光功率可有效提高密度，但会在构建中产生更高程度的纹理和晶粒柱状度。

另一方面，增加扫描重叠具有减少纹理和晶粒柱状度的好处，同时提高零件密度。

在相同的加工参数下，将构建体积从标准的 1000 立方毫米增加到 8000 立方毫米会导致密度降低，但质地和颗粒均匀性有所改善。

下一步的发展包括为了使更大、完全致密的铜部件或其他低蓝光反射率金属的激光增材制造成为可能，或减少纹理化和不均匀的晶粒形态，预计业界将努力生产更高功率的蓝色激光器。

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