摘要：纯铜和铜合金具有高导热、高导电、耐腐蚀等一系列优异特性，广泛应用于航空航天、新能源、大数据、汽车工程以及饰品等领域。激光粉末床熔融技术（LPBF，即选区熔融技术/SLM），能够对结构复杂的金属部件进行高精度和高效率的一体式成型，已经快速发展成为了金属增材制造领
导读：纯铜和铜合金具有高导热、高导电、耐腐蚀等一系列优异特性，广泛应用于航空航天、新能源、大数据、汽车工程以及饰品等领域。
激光粉末床熔融技术（LPBF，即选区熔融技术/SLM），能够对结构复杂的金属部件进行高精度和高效率的一体式成型，已经快速发展成为了金属增材制造领域的主流技术。
传统的LPBF设备通常采用红外激光作为光源，但对于铜及铜合金等高反金属材料，红外激光的吸收率较低。当红外激光与这些金属材料作用时，大部分激光能量未能被材料吸收，而是被反射回设备。这不仅会导致材料熔融的不充分，形成内部气孔和空隙，还可能损坏设备的光学器件，影响设备的稳定性并缩短其使用寿命。因此，传统的LPBF设备在打印高反金属时仍面临诸多难题，例如打印件的致密度偏低、打印效率低下、飞溅严重以及设备不稳定等。
铜和铜合金等高反金属在绿光波段的吸收率显著高于红外波段。使用绿光熔融这些材料时，大部分激光能量能够被材料有效吸收，有利于获得充分的熔融，从而实现高致密度的打印件。同时，由于激光能量的利用率比较高，打印效率也将大幅提高。此外，由于绿光的能量利用率较高，材料反射的激光能量较少，有效地减少了熔融过程中的飞溅现象，为设备的长时间连续稳定运行提供了重要保障。
深圳希禾增材技术有限公司（希禾增材），基于自主研发的高功率单模光纤绿光激光器，率先推出绿激光粉床熔融（GL-PBF）设备，为高质量铜部件的增材制造提供了新的机遇。这些设备使得铜及铜合金的增材制造变得更加可行和高效，也为高反金属材料的创新应用开辟了新通道。
△图1. 典型金属材料对各波长激光的吸收率
2024年10月，来自上海交通大学核科学与工程学院与上海大学材料基因组工程学院的研究团队，在专注于材料加工与制造技术研究的国际学术期刊Journal of Materials Processing Technology上发表了题为"Enhanced electrical and mechanical properties of additively manufactured pure copper with green laser" (DOI: 10.1016/j.jmatprotec.20 24.118615)的文章。研究旨在通过绿色激光粉床熔融（GL-PBF）技术，解决纯铜的高反射率问题。同时关注铜部件的相对密度、表面粗糙度、力学性能和导电性等特性，填补纯铜GL-PBF工艺参数优化的研究缺口，为高反射金属材料的激光增材制造提供框架。该研究同时展现出希禾增材公司绿激光金属3D打印设备在科学研究领域卓越的应用能力，进一步验证了绿色激光粉床熔融技术（GL-PBF）在铜材料增材制造方面的优异表现。
在实验中，研究团队使用希禾增材公司的XH-M160G绿激光（λ = 532 nm）设备对纯铜粉末进行打印。由于绿色激光器波长（约532 nm）与铜的反射特性相匹配，铜材料能够更好地吸收激光能量，从而实现更高的熔化效率和更均匀的热分布。这有助于提高最终产品的物理性能，满足更多的应用场景。希禾增材公司XH-M160G设备采用500W单模连续光纤激光器，平均光斑直径为30μm，铜粉的吸收率约为85%。该研究通过固定扫描间距，调节扫描速度、激光功率等参数，观察不同条件下实验样品的的微观结构、机械与电气性能等变化，系统地探索了这些因素对材料性能的影响。
该研究围绕绿激光粉床熔融（GL-PBF）技术，探讨其工艺参数在制造铜部件过程中如何影响材料的各项性能，揭示了它们对纯铜样件的致密化、微观结构、表面粗糙度、力学性能性能和电导率的关键作用。研究结果表明，通过优化GL-PBF参数可以实现相对密度超过99.9%，且电导率达到98%国际退火铜标准（IACS）的铜部件，这一发现也验证了绿色激光在增材制造领域中的巨大前景。此外，研究还结合实验与有限元分析建模，进一步探索了缺陷形态对打印材料电导率的影响；针对电导率和孔隙性之间的关系，提出了多种模型，为增材制造过程中如何控制这些缺陷提供了全新的视角。
△图2. 图解摘要
绿激光粉床熔融（GL-PBF）技术不仅可以实现了纯铜及铜合金的高效、高质量打印，同时也为其它高反金属和高熔点金属材料（黄金，铂金，银，钽和钨等）的增材制造提供了全新的解决方案。此外，也为常规金属材料更高效和更精细的打印提供了新方案。
△图3. 希禾增材公司绿激光3D金属设备打印 Cu, CuCrZr, CuCrNb, CuSn10 样件
深圳希禾增材技术有限公司作为中国绿激光3D打印整体解决方案的提供商，专注于高反金属增材制造装备的研发与制造。设备光源采用自主研发的500-1000W高功率单模连续光纤绿光激光器，输出光束具有光束质量高、稳定性高、聚焦光斑更细小的优点。与传统的LPBF设备相比，希禾增材的GL-PBF设备在纯铜、铜合金、黄金及铂金等材料的增材制造领域具有更高的成型效率、更好的成型质量、更高的打印分辨率及更大的工艺窗口等优势。
希禾增材成功推出率多款绿激光金属3D打印设备（M160G, M350G, M100G等），并在航空航天、新能源汽车、感应加热线圈、及高速通讯器件等工业领域获得较多实际应用。这些设备打印的纯铜部件的热导率可达390W/m·K, 打印的液冷散热器件和换热部件能够在0.5mm壁厚的条件下承受大于8MPa水压，打印的TPMS结构散热器件的最薄壁厚可达0.08mm。
未来，深圳希禾增材技术有限公司将持续探索高性能绿激光3D打印设备的技术创新，并且努力推动GL-PBF技术在各行业的创新应用，为全球高端制造业的持续发展贡献力量。
来源：南极熊3d打印网