Reines Kupfer ist aufgrund seiner hohen thermischen und elektrischen Leitfähigkeit ein weit verbreitetes Material in der Elektronik und Energieerzeugung. Entsprechende Anwendungen beinhalten oft komplexe Geometrien in Kombination mit vollständig dichten Materialien, um die elektrische Leitfähigkeit zu verbessern. Für solche Anwendungen scheint die additive Fertigung (AM) für neue Designs ausreichend zu sein.
Genauer gesagt, die hohe Genauigkeit und räumliche Auflösung, die die Laser Powder Bed Fusion (L-PBF)-Technologie bietet, scheint besonders gut geeignet zu sein, um sehr komplexe Formen herzustellen und dabei den Materialabfall zu reduzieren. Aufgrund des hohen Reflexionsvermögens und der hohen Wärmeleitfähigkeit von Kupferpulver unter Laser-Infrarot-Laserstrahlung ist es jedoch immer noch ein echtes technisches Problem, reine Kupfermaterialien mit geringer Porosität durch das traditionelle L-PBF-Verfahren herzustellen.
Pulvereigenschaften von Kupferpulver
Kupfer hat eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit, elektrische Leitfähigkeit und eine gute Korrosionsbeständigkeit und Duktilität, und im Metallsystem hat Kupfer eine breite Palette von Quellen und niedrige Kosten und kann in vielen Bereichen wie elektrischen und thermischen Materialien, Biomedizin, usw. . Kupfer hat ein hohes Reflexionsvermögen für Laserlicht, mit einem Reflexionsvermögen von mehr als 90 Prozent bei Lasern mit einer Wellenlänge von mehr als 1060 nm und einer Absorptionsrate von mehr als 60 Prozent bei Lasern mit einer Wellenlänge von 515 nm. In diesem Fall bringen diese Eigenschaften von Kupfer Herausforderungen bei der Verarbeitung in der additiven Fertigungstechnologie mit sich. Kupfer hat eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit. Während des Umformprozesses wird Wärme schnell auf den Schmelzbereich übertragen, was zu höheren lokalen Wärmegradienten führen kann, die leicht zu Prozessfehlern wie Schichtkräuselung, Delaminierung und teilweisem Versagen des Teils führen können. Außerdem macht es die hohe Duktilität von Kupfer schwierig, Restpulver von Formteilen zu entfernen und wiederzuverwerten. Außerdem hat Kupferpulver eine hohe Oberflächenaktivität und ist leicht zu oxidieren. Kupferpulver erfordert eine spezielle Handhabung und Lagerung.
Die Einschränkungen der hohen Wärmeleitfähigkeit von Kupfer und der hohen Reflexion von Laserlicht machen es schwierig, den Formprozess der additiven Herstellungstechnologie für Kupferpulver zu steuern, und der Formprozess ist schwierig. Derzeit hinkt die Forschung und Anwendung des 3D-Drucks von Kupfer einigen anderen gängigen Metallmaterialien hinterher. Kupfer als typisches strukturell-funktionales Integrationsmaterial hat ein breites Spektrum an Anforderungen für die additive Fertigung und ist ein Forschungs-Hotspot in der 3D-Druckindustrie.
Technische Schwierigkeiten beim traditionellen Laser-Pulverbettschmelzverfahren zur Kupferformung
Die Wärmequelle der Laser Selective Melting Technologie ist der Laserstrahl. Das hohe Reflexionsvermögen von Kupfer für den Laser bewirkt, dass der größte Teil der Laserenergie während des Formungsprozesses zum optischen System zurückreflektiert wird und nur ein kleiner Teil der Energie vom Kupferpulver absorbiert wird. Xi-Gestein ist vollständig geschmolzen, und die Teile sind anfällig für Defekte wie Poren und Risse, was Schwierigkeiten bei der Formung von laserselektiv geschmolzenem Kupfer mit sich bringt. Gegenwärtig konzentriert sich die diesbezügliche Forschung auf dem Forschungsgebiet des laserselektiven Schmelzens und Umformens von Kupfer hauptsächlich auf die Verbesserung der Dichte von Teilen.
Die frühe Forschung war durch Hardwareeinrichtungen wie Lasergeräte begrenzt. Während des Umformprozesses war es für den Laser schwierig, das Kupferpulver vollständig zu schmelzen, und es war schwierig, dichte Teile herzustellen. Mit der kontinuierlichen Entwicklung der Lasertechnologie wurde die Leistung von Lasergeräten kontinuierlich verbessert, und es kann eine hohe Leistung verwendet werden, um die Dichte der Teile zu erhöhen. Der zum optischen System zurückgeführte Laser beschädigt jedoch die optischen Komponenten, und dann schlugen einige Forscher vor, dass Methoden wie das Modifizieren der Oberfläche von Kupferpulver und das Reduzieren der Laserwellenlänge das hohe Reflexionsvermögen von Kupfer verbessern können. Die frühen laserselektiven Schmelzformanlagen verwendeten Laser mit geringer Leistung, geringer Stabilität und geringer Strahlqualität, sodass es schwierig war, ein vollständiges Schmelzen von Kupferpulver zu erreichen. Dem Kupferpulver kann als Binder nur Legierungspulver mit niedrigem Schmelzpunkt oder hoher Laserabsorptionsrate zugesetzt werden. Beim Laserscannen schmilzt das Bindemittel, um eine flüssige Phase zu bilden, die die Poren zwischen den Kupferpulverpartikeln füllt und sich verfestigt, um eine Sintervorbereitung von Teilen zu erreichen. Dieses Verfahren wird "indirektes Sinterverfahren" genannt. Obwohl der vollständige Druck des gesamten Teils auf diese Weise erreicht werden kann, haben einige verwandte Forscher herausgefunden, dass die erhaltenen Teile weniger dicht sind.
In der Wissenschaft verwendete Gu Dongdong von der Nanjing University of Aeronautics and Astronautics einen CO2-Laser mit einer maximalen Ausgangsleistung von 1 KW, vorlegiertes CuSn-Pulver als Bindemittel und CuP als Desoxidationsmittel, um Cu plus CuSn plus CuP-Pulver zu sintern, um eine Dichte herzustellen 82 Prozent Kupferteile. Tang Y et al. verwendete einen 200-W-Laser zum Lasersintern von Cu plus Cu3P-Pulver mit vorlegiertem Metallpulver Cu3P als Binder und fertigte schließlich ein Teil mit einer Dichte von 76 Prozent an . Darüber hinaus haben einheimische Hersteller wie Shenghua 3D auch den indirekten 3D-Druck und die Formung von Kupfermaterialien erforscht und Durchbrüche erzielt.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die frühe diesbezügliche Forschung noch durch den Einfluss von Laserleistung und Strahlqualität begrenzt ist, was die Dichte der hergestellten Teile gering und die Umformqualität schlecht macht. Dies erfordert die Verwendung von Lasern mit höherer Leistung und besserer Qualität, um die Schwierigkeit der Absorptionsrate von Laserlicht durch Kupfer zu überwinden und stabile Formbedingungen zu schaffen, um die Qualität und Leistung des laserselektiven Schmelzens und Formens von Kupferteilen zu verbessern.
Mit der kontinuierlichen Entwicklung der Lasertechnologie wurden auch die Stabilität und Strahlqualität von Lasern kontinuierlich verbessert und einige Lasergeräte mit hoher Strahlqualität, hoher Stabilität und hoher Leistung eingesetzt. Einige Forscher experimentierten mit dieser Art von Ausrüstung und stellten fest, dass die Dichte der Teile stark verbessert wurde. Lykov PA et al. verwendete Pro DM125-Ausrüstung, um reine Kupferproben mit verschiedenen Prozessparametern vorzubereiten. Unter den Bedingungen Laserleistung 200 W, Abtastgeschwindigkeit 100 mm/s, Linienabstand 0,12 mm und Schichtdicke 0,05 mm wurden reine Kupferproben mit einer Dichte von 88,1 Prozent wurden erreicht. Kupferproben. Ikeshoji TT et al. verwendete eine 1-kW-Hochleistungs-Singlemode-Faserlaser-SLM-Ausrüstung unter der Bedingung einer Laserleistung von 800 W und einer Scangeschwindigkeit von 300 mm/s, erhielt eine reine Kupferprobe mit einer Dichte von 96,6 Prozent und untersuchte die Auswirkung des Scanabstands beim Umformen Entsprechend dem Einfluss der Qualität des Werkstücks wird festgestellt, dass bei einem Abtastabstand von etwa 0,1 mm die Dichte der erhaltenen Probe am höchsten ist. Colopi M et al. verwendete die gleiche Laser-SLM-Ausrüstung, um Proben aus reinem Kupfer mit einer Dichte von mehr als 97 Prozent vorzubereiten. Jadhav SD et al. verwendeten eine Hochleistungs-Faserlaserausrüstung, um eine Probe mit einer Dichte von bis zu 98 Prozent unter den Prozessbedingungen einer Energiedichte von 740-1120 J/mm3 zu erhalten.
Obwohl die Verdichtung geformter Teile durch Erhöhen der Laserleistung und Optimieren des Formungsprozesses erreicht werden kann, zerstört der zum optischen System zurückreflektierte Laser die optische Beschichtung und beschädigt den Laser weiter. Daher ist es keine effektive und durchführbare Lösung, sich ausschließlich auf die Verbesserung der Strahlqualität des Lasers und die Erhöhung der Laserleistung zu verlassen. Nur die Reduzierung des Reflexionsvermögens von Kupfer auf Laserleistung ist ein effektiver Weg, um dieses Problem zu lösen. Denn Kupfer hat eine Laserabsorptionsrate von mehr als 60 Prozent für Wellenlängen unter 515 nm. Daher ist die Verringerung der Laserwellenlänge und die Erhöhung der Absorptionsrate von Kupfer zu Laser der Schlüssel zur Realisierung der laserselektiven Umformung von Kupfer.
grüner Laser
Um das Problem der hohen Reflexion von Laserlicht durch Kupfer zu lösen, begannen einige ausländische Forschungseinrichtungen, neu entwickelte Hochleistungslaserquellen zu verwenden, die im sichtbaren Wellenlängenbereich arbeiten, und versuchten, Lasergeräte mit einer Wellenlänge von 515 nm (grüner Laser) zu verwenden ) für Experimente. Verbesserte Laser-Kupfer-Energiekopplung.
Im Jahr 2017 übernahmen Forscher des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik in Deutschland die Führung bei der Erforschung des grünen Laserdrucks von reinem Kupfer. Sie entwickelten ein System zum selektiven Laserschmelzen (SLM) mit grünem Laser für reines Kupfer oder Kupferlegierungen. 3D-Druck, die Technologie heißt „Green SLM“.
Im November 2022 demonstrierte Trumpf (TRUMP) auf der Internationalen Messe Formnext in Frankfurt den neuesten 3D-Drucker TruPrint 5000 und grüne Lasertechnologie. Im Jahr 2021 brachte TRUMP seinen 3 kW Hochleistungs-kontinuierlichen grünen Scheibenlaser auf den Markt. Es wird berichtet, dass die durchschnittliche Ausgangsleistung dieses Produkts bis zu 3 Kilowatt beträgt, was die stärkste Leistung in der aktuellen grünen Laserserie darstellt und sich sehr gut zum Schweißen von hochreflektierenden Materialien wie Kupfer und Aluminium eignet, insbesondere im Lithium Batterieindustrie vertreten durch Batterien für neue Energiefahrzeuge. Der grüne Trumpf-Laser (1000-3000W) kann bis zu 120 Lagen Kupferfolie schweißen, nahezu spritzerfrei und die Eindringtiefe ist präzise und kontrollierbar. Darüber hinaus hat grünes Hochleistungslicht auch herausragende Vorteile bei der Anwendung der additiven Fertigung von reinen Kupfermaterialien - 3D-Druck.
Im Jahr 2018 vermarktete die Shimadzu Corporation (Japan) ihren Blue-Impact-Diodenlaser BLUE IMPACT, der 100 Watt Leistung bei hoher Helligkeit erzeugen kann. Dieses Produkt wurde von der Shimadzu Corporation in Zusammenarbeit mit der Universität Osaka in Japan als Teil eines nationalen Projekts in Japan entwickelt. Der BLUE IMPACT-Laser kombiniert viele blaue Galliumnitrid (GaN)-Laserdioden der Nichia Chemical Corporation (Japan), verdoppelt die Effizienz seit 2006 und erhöht die Ausgangsleistung um eine Größenordnung. Eine Schlüsselanwendung für den blauen 450-nm-Diodenlaser von Shimadzu ist der 3D-Druck von Kupfermaterialien.
Der oben erwähnte grüne Laser wurde in den 1960er bis 1980er Jahren entdeckt. Zu dieser Zeit verwendeten die Menschen verschiedene nichtlineare Kristallmaterialien, um Nd:YAG-Laser zur Frequenzverdopplung innerhalb des Hohlraums durchzuführen, um grüne Lichtquellen zu erhalten. In den 1990er Jahren haben grüne Festkörperlaser mit hoher Leistung und hoher Wiederholrate, die die Vorteile langer Lebensdauer, hoher Zuverlässigkeit, geringer Größe und hoher Effizienz aufweisen, eine beispiellose Entwicklung erreicht. Mit der Verbesserung der Qualität inländischer Halbleiterlaser und der Senkung des Preises ausländischer Halbleiterlaser hat auch die Erforschung von inländischen All-Solid-State-Hochleistungs-Grünlasern große Fortschritte gemacht.
Die Verwendung von grünen Lasern hat sich in Schweißanwendungen als besser an Kupfer gekoppelt. Tatsächlich werden grüne Wellenlängen (λ=532 oder 515 nm) von reinem Kupfer nicht nur im festen, sondern auch im flüssigen Zustand leichter absorbiert. Die entsprechenden Absorptionsraten liegen voraussichtlich zwischen 40 und 60 Prozent im festen Zustand und zwischen 25 und 50 Prozent im flüssigen Zustand. Nach den Forschungsergebnissen des Deutschen Instituts für Photonentechnologie beträgt die Absorptionsrate für das grüne Lichtband im festen Zustand des Kupfers bei Raumtemperatur und 20 Grad etwa 40 Prozent; Stattdessen sank er um etwa 5 Prozent. Das heißt, die Absorption von grünem Licht nimmt leicht ab, nachdem das Kupfer geschmolzen ist. Diese Funktion trägt dazu bei, bei der Bearbeitung von Kupfer ein stabiles kleines Loch und nahezu keine Spritzer zu erzielen. Dies ist der offensichtliche Vorteil des grünen Laserschweißens gegenüber dem Infrarotlaserschweißen. Daher ist die Förderung des breiten Einsatzes grüner Laser auf L-PBF-Kupfer das Hauptziel der aktuellen Forschungsarbeiten.
blauer Laser
Eine zweite Möglichkeit zur Verbesserung der Laser-Kupfer-Energiekopplung ist die Verwendung einer blauen Laserquelle, daher sind blaue Hochleistungsdiodenlaser mit einer Wellenlänge von 450 nm ebenfalls gute Kandidaten für den Laser-3D-Druck von Kupfer.
Bei der Untersuchung von reinem Kupfer und Cu-6Sn-Legierungen haben Hummel et al. wiesen darauf hin, dass die Absorptionsrate von Kupfer für blaues Laserlicht sogar höher als 515–530 nm ist und die Absorptionsrate im leitfähigen Schweißzustand bis zu 80 Prozent beträgt, während sie bei 515 nm 60 Prozent beträgt . Obwohl höhere Leistungen bereits in der Entwicklung sind, sind bestehende blaue Laserdioden immer noch in der Helligkeit und im verfügbaren Durchmesser des fokussierten Strahls begrenzt, was ihre mögliche Anwendung in L-PBFs einschränkt, da dies eine höhere Scangeschwindigkeit für das Laserschweißen erfordert.
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△ Kupfer, Gold, Aluminium und andere Materialien absorbieren blaues Laserlicht besser als Laserlicht anderer Wellenlängen. Bild über NUBURU/NASA 1969
Im Mai 2022 erfährt Antarctic Bear, dass Essentium, der Erstausrüster hinter der High Speed Extrusion (HSE) 3D-Drucktechnologie, und NUBURU, ein Industrielaserspezialist, sich zusammengetan haben, um einen neuen blauen laserbasierten 3D-Metalldrucker zu entwickeln, der Solve kann die Schmerzpunkte der einfachen Reflexion und schwierigen Formgebung im traditionellen Metall-3D-Druckverfahren von Kupfer/Gold/Aluminium/Edelstahl und anderen Metallen. Es wird berichtet, dass die neue Laser-Metall-3D-Druckmaschine die proprietäre blaue Lasertechnologie von NUBURU integrieren und in der Lage sein wird, Materialien in Form von Drahtzuführung zu verarbeiten, sodass wir daraus schließen können, dass sie nach dem Prinzip der gerichteten Energieabscheidung (DED) arbeitet. Darüber hinaus behauptet NUBURU, dass die blaue Lasertechnologie einen bis zu zehnmal schnelleren 3D-Druck als die Konkurrenz ermöglichen und gleichzeitig Metall mit sehr hoher Dichte drucken kann.
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△ Ein blauer NUBURU-Laser. Foto über NUBURU.
NUBURU, ein weiteres Unternehmen, das sich auf Hochleistungs-Blaulasertechnologie konzentriert, hat 20 Millionen US-Dollar aufgebracht, um industrielle Produktionslinien zu entwickeln und Märkte für Energiespeicherung, Elektrofahrzeuge und 3D-Druck zu erschließen. Laserauftragschweißen und Lasermetallabscheidung (LMD) sind zwei Anwendungen, bei denen das Rohmaterial bis zu seinem Schmelzpunkt erhitzt und an der Oberfläche befestigt wird. Laut NUBURU ermöglichen die Vorteile seiner blauen Lasertechnologie das Auftragen von Kupfer auf Edelstahl (und umgekehrt). Industrielle blaue Laser können Kupfermetall Schicht für Schicht abscheiden. Dieser Vorteil erstreckt sich auch auf das additive Fertigungsverfahren Laser Metal Deposition (LMD). Bei Gold, Kupfer, Aluminium und anderen reflektierenden Metallen kann der blaue Laser schneller bauen als Infrarotlaser sind 10-mal schneller und liefern eine höhere Qualität.
Eisbär Zusammenfassung
Die obige Forschung beweist, dass sowohl grüner Laser als auch grüner Laser als bevorzugte Lichtquelle für den 3D-Druck von hochreflektierenden Metallmaterialien verwendet werden können und der 3D-Druck von reinen Kupfermaterialien verwandte Probleme gut lösen und eine höhere Dichte erreichen kann. Die Kosten dieser beiden Laser sind jedoch derzeit noch hoch, und die Verbesserung und Kostenreduzierung von grünen/blauen Lasern sind noch Probleme, die in der Zukunft gelöst werden müssen. Es ist absehbar, dass, wenn die Laser-3D-Drucktechnologie in großem Maßstab auf reine Kupfermaterialien angewendet werden kann, die Marktgröße von 3D-Druck-Kupfermaterialien voraussichtlich weiter wachsen wird.
