激光選擇性熔化(SLM)銅合金3D打印技術(shù)

激光選擇性熔化(SLM)銅合金3D打印技術(shù)

    高導電率銅合金在軍工、航空航天、艦船制造、高鐵、地鐵、電動汽車、通訊設備等領域廣泛應用，但我國每年需要的高導電銅合金50%依靠進口。該材料在航空航天、艦船等應用，由于導電性能更優(yōu)秀，所需材料少，可減輕航空器和艦船等本體重量，節(jié)材降耗，還能再多裝載其他設備等；用于互聯(lián)網(wǎng)、通訊設備等，信息傳遞速度更快；應用于電動汽車電池，比現(xiàn)在的電池一次充電能多跑10—20公里等；用于海底電纜，由于安全和耐腐耐用，使用年限更長，節(jié)省了電纜更換的巨額費用等。
 

高導電銅的應用
    銅金屬3D打印技術(shù)主要被應用在航空、國防領域，美國AerojetRocketdyne研發(fā)的RL10液氫燃料火箭發(fā)動機中就使用了3D打印的銅合金推力室部件。美國航天局NASA在銅質(zhì)發(fā)動機燃燒室內(nèi)襯3D打印方面也取得了突破，打印材料為GRCo-84銅合金。
    銅以其延展性而聞名，是金屬3D打印機看似理想的打印材料。此外，金屬表現(xiàn)出僅次于銀的導熱率水平，并且高導電性使其適用于工業(yè)應用。
    但銅合金的激光3D打印卻不是一件容易的事情，我們所周知的原因如下：
    1）銅合金和金銀一樣，導熱性能良好、比熱容小、浸濕性能差、表面有堅硬的氧化膜，對光斑的反射率較大，這就使得激光產(chǎn)生的熱量在其表面不易停留，直接熔覆功能涂層難以實現(xiàn)；做激光的太容易理解這一點了，銅合金反射鏡就是在激光中的典型應用。
    2）銅合金基體與涂層的材料體系之間的性能差別很大，使用過程中的界面失效問題要得到一定的重視，在中間要有相應的過渡層連接；銅合金、金銀的延展性好，大家也是太熟悉不過了，
    3）涂層內(nèi)韌性不足，熱裂和應力等缺陷存在于涂層內(nèi)部。
    由于銅的導熱性和反射性*，這使得銅金屬在3D打印機內(nèi)部難以操作。但是銅金屬在激光熔化的過程中，吸收率低，激光難以持續(xù)熔化銅金屬粉末，從而導致成形效率低，冶金質(zhì)量難以控制等問題。此外，銅的高延展性給去除多余粉末這樣的后處理工作增加了難度。
    “根據(jù)表面性質(zhì)，”弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（FraunhoferILT）快速制造小組研究員DanielHeussen解釋說，“純銅會反射高達90％的激光輻射。根據(jù)表面性質(zhì)的不同，純銅在常規(guī)使用的1μm激光波長中反射高達90％的激光輻射能量?！?br/>    綠色SLM
    為了解決銅對激光的高反射問題，Heussen和他的同事們正在推出“SLM綠色”項目，旨在改變3D打印機在銅粉末床上加工所遇到的挑戰(zhàn)。ILTHeussen和同事們正在開展“綠色SLM”項目，尋求改變3D打印機從銅粉末床上制造物體的方式
微信截圖_20181025140534.png
    形狀記憶合金的實際應用：
    中國礦業(yè)大學的YueZhang等人進行了Cu50Zr50的SLM研究，如下圖顯示了在掃描時溫度的分布變化。
另外據(jù)報道，日本6大工業(yè)機器人開發(fā)商之一的Daihen公司和日本國家技術(shù)研究所（大阪府）*近似乎已經(jīng)聯(lián)合找到了解決之道—通過使用銅合金粉末和傳統(tǒng)的M2金屬3D打印機，他們開發(fā)出了一種叫做3D層壓成型的新方法。而據(jù)江蘇激光聯(lián)盟秘書處了解，這種方法的主要優(yōu)點就是既能實現(xiàn)銅的3D成型，又能很大程度上保證其不會失去原有屬性（主要是導電性和導熱性）。事實上根據(jù)研究者的說法，如果重點關注導電性，這種方法*高可實現(xiàn)打印件90%的純銅率，并且還能將銅的抗拉伸性能“植入”到打印件當中！
    不過除此之外，這種技術(shù)也有其它優(yōu)點，比如在制造單獨部件上能顯著縮短時間，從而提高效率，降低成本?；谏鲜鰞?yōu)點，這種新技術(shù)有望在航空航天，汽車和醫(yī)療等許多領域得到廣泛應用。而事實上，其開發(fā)團隊已經(jīng)利用它取得了一些成果，比如3D打印出了以往很難通過3D打印制造出的疊層激光器，以及成功改造了大電流水冷柜，令其冷卻性能明顯提高，尺寸和重量卻明顯下降。
    SLM激光通常在光的紅外光譜范圍內(nèi)運行，而這造成了銅的低吸收率，光的能量也不能有效地熔化金屬。使用綠色激光，需要的激光功率輸出更少。此外，激光束可以更*地聚焦，從而制造出更精細的部件。
    Heussen補充說：“我們希望有一個更均勻的熔池動力學，這樣我們就可以制造高材料密度的組件，以及獲得其他積極效果，如更高的細節(jié)分辨率?！边@個項目預計將在2019年年中完成，獲得了德國聯(lián)邦工業(yè)研究協(xié)會（AiF）的資助。