铜3D打印中的激光波长选择：绿光技术的优势

在现代工业中，铜作为一种关键的金属材料，凭借其优异的导电性、导热性和耐腐蚀性，在航空航天、电气电力、汽车制造等多个领域发挥着不可或缺的作用。然而，随着金属3D打印技术的蓬勃发展，如何实现铜件的高效、高质量打印，正成为行业亟待攻克的重要难题。而这一难题的核心，正与打印过程中所使用的激光波长密切相关。

铜对不同波长激光的吸收差异

金属材料对不同波长的激光有着明显不同的吸收表现，一般来说，激光波长越短金属对其吸收率越高。实测数据显示，在室温条件下，铜对近红外光(波长范围1020-1080nm)的吸收率不到5%，而对绿光(波长范围515-535nm)可达40%左右，对蓝光(波长范围440-460nm)的吸收率则能达到50%。这意味着，相比近红外光，使用波长更短的绿光或蓝光，可以显著提升铜的能量吸收效率，使其更容易被加热和熔融，从而为高质量的3D打印提供了可能。

△图1、各种金属材料在不同波长激光下的吸收率（%）(资料来源:公大激光)

近红外激光：成熟技术背后的隐忧

当前，市场上的金属3D打印机大多采用近红外光作为主要光源。近红外激光器技术成熟、输出功率高，且成本相对可控，这些优势使其在金属3D打印领域得到了广泛应用。然而，铜对近红外光吸收率低的特性，也给实际打印带来了诸多局限。为了弥补铜对近红外光吸收率低的不足，厂商通常会选择提高激光功率，以确保材料能够顺利熔融。然而，当铜被加热到约1400K时，吸收率会突然升高，导致内部剧烈变化，容易引发粉未飞溅、材料塌陷或产生气孔等问题，这些现象会直接影响打印件的致密度和表面质量，使最终成品难以达到预期效果。

△图2、铜在1064nm近红外光照射下的表面吸收率随温度变化曲线(资料来源:LASER FOCUS WORLD)

△图3、近红外光LPBF纯铜3D打印中观察到的形变(红圈所示)

(资料来源:DO1:10.3217/978-3-85125-968-1-02)

另一种常见的做法是尽量让激光聚得更集中，从而增强局部的加热效果，通常需要通过更短焦距的光学系统来实现。这在一定程度上可以弥补铜对近红外光吸收率低的不足，但随之而来的问题也不容忽视，铜对近红外光的反射率很高，大量未被吸收的激光在较短的光路内会强烈反射回来，对设备内部的光学组件造成损坏，影响设备的稳定性与使用寿命，进而增加后期维护和运行成本，即使采用高质量的光学镜片，也难以避免长期高反射带来的损耗。

△图4、 光学镜面在铜材料高反射作用下12小时后出现涂层损伤

(资料来源:https://doi.org/10.1016/j.matdes.2025.113742)

蓝光激光：理想方案中的技术瓶颈

从理论上看，铜对波长较短的激光吸收能力更强，使用蓝光似乎是理想选择。然而，目前蓝光只能依赖半导体激光芯片产生，而单个芯片的输出功率非常有限。为了获得足够的激光功率，必须将多片芯片组合起来工作，但这样得到的光束质量较差，无法有效聚焦。光束无法有效集中，意味着聚焦后的光斑面积较大，难以形成精细的熔融区域，导致打印件在精细度方面无法达到理想水平，表面质量也较差。因此，尽管铜对蓝光的吸收率高，在追求高质量铜3D打印时，蓝光激光仍受制于技术瓶颈，并在相当长的一段时间内都难以在高精密金属3D打印上获得应用。

△图5、 蓝光DED纯铜3D打印20x20x20mm立方体

(资料来源:https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2022.11.064)

绿光激光：恰到好处的“天作之合”

相比之下，绿光激光在铜3D打印中展现出兼顾近红外光和蓝光的独特优势，并克服了二者的局限。首先，绿光波长较短，铜对其吸收率与蓝光相近，却比近红外高出一个量级，足以支撑高效熔融。其次，绿光可通过对近红外激光进行转换获得，既保留了高功率输出，又延续了优异的光束质量，充分发挥了现有红外激光技术的成熟优势。此外，铜对绿光的吸收率较高，且随着温度升高吸收率变化平缓，不会出现剧烈波动，因而能有效避免粉未飞溅或塌陷等问题，打印出的零件致密度更高表面质量也更好。

△图6 、绿光LPBF纯铜3D打印精细结构

(资料来源:希禾增材)

绿光激光在输出模式上可分为连续和脉冲两种，不同式在铜3D打印中的表现也各有差异。连续激光在工作过程中会持续、均匀地输出激光，保持能量不中断，而脉冲激光则以极短的时间间隔，间歇性释放能量。在这两种模式之间，还有一种被称为”准连续”的模式，本质上属于高重频脉冲激光，虽然看起来像是一直在出光但在更细的时间尺度上，依然存在能量停顿，无法达到100%不间断输出。

△图7 、公大激光与IPG高功率1000W绿光激光器工作模式示意图

(资料来源:公大激光)

有研究表明，使用准连续绿光激光对铜进行熔融，当激光功率达到150W时，局部温度可使铜汽化。由于激光以脉冲方式作用，材料内部的熔融区域会出现塌陷产生气孔，导致焊缝的相对密度下降(Heinrich et al.2022)。这一现象在铜3D打印中同样可能发生，在脉冲激光模式下，熔融区域的不稳定会导致孔隙率增加降低打印件的致密度，而连续激光由于能量输入稳定能够使温度持续升高，有效减少了气孔的形成，提高打印件致密性和表面质量。

各家主流短波长连续激光器聚焦能力对比

△图8 不同类型激光器光束参数对比

(资料来源:公大激光)

图8展示了单模连续绿光(GD'S GCL-1000-F-S-W)、多模连续绿光(Trumps1020)和蓝光TruDisk(NUBURUSBL-1000-F)激光器的光束参数对比。可以看到，在相同的准直激光光束直径和焦距(f)条件下单模连续绿光(M2=1.1)具有最佳的聚焦效果，其聚焦后的光斑直径(Df)最小，仅为18.6um。相比之下多模连续绿光(M2=12.2)则为200um，光束质量M2值更大的蓝光(M2=106.2)聚焦光斑直径(Df)达到1500um。以上结果同样表明，M值越接近1，光束质量越好。相同条件下，聚焦光斑直径越小，能量就越集中，熔融区域也更稳定。综上，单模连续绿光激光器被认为是满足高精度、高致密度和高稳定铜3D打印的最佳选择。

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绿光波长介于近红外与蓝光之间，铜对其吸收率高达40%，是近红外激光的8倍，为铜材料加工带来革命性突破。极大地提升了能量转化利用率，打印效率大幅提升。

“能”效卓越

与半导体蓝光相比，其优异的光束质量可实现高精度聚焦，形成稳定而精细的熔融区域，打印出的零件表面致密细腻，完美满足高端工业制造对铜件的严格要求，

“能”稳全程

与近红外光相比，绿光激光在加热过程中吸收率变化平缓，避免了热失控风险，减少了粉末飞溅、塌陷和气孔等缺陷出现，显著提高了打印件的良率。

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高反金属对绿光吸收高，反射少，对设备内部光学组件的损伤低，从而延长了设备寿命，降低了维护成本和停机时间，提升了设备的可靠性和经济性。

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