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純銅增材製造新工藝-小鐳射光斑、細分、小層厚

文章轉載自:材料學網 ,作者材料學網

純銅由於其卓越的導電性和導熱性,在工業中被廣泛用作傳熱和電磁應用的基礎金屬。

粉末床鐳射熔化(L-PBF)3D列印技術,能夠列印光滑的曲面和複雜的幾何形狀。然而,透過L-PBF工藝進行純銅增材製造一般需要400W以上(通常可達1000W)的鐳射功率,因為它具有高紅外鐳射純銅的反射。然而,鐳射光學元件可能會被高功率鐳射的背反射損壞。

香港中文大學研究團隊在在增材製造頂刊Additive Manufacturing發表了研究論文,題為“High-precision laser powder bed fusion processing of pure copper”。在這一研究中,研究團隊開發了一種具有小鐳射光斑 (25 µm)、細粉(5-25 µm) 和小層厚 (10 µm)的高精度 LPBF (hp-LPBF) 系統,可以實現全緻密化在相對較低的鐳射功率下具有高解析度和低粗糙度的純銅元件。

經過熱處理,電氣效能可進一步提高到96% IACS。具有複雜蜂窩結構的純銅部件列印壁厚為 100 µm,頂/側/底表面粗糙度 Ra 為 3。3/14。8/19。2 µm。總體而言,與傳統 LPBF 相比,hp-LPBF增材製造工藝已證明其能夠以相同水平的相對密度和屬性列印更精細、更光滑的純銅零件。

純銅增材製造新工藝-小鐳射光斑、細分、小層厚

高解析度、低粗糙度

綜合處理能力© 3D科學谷《3D列印銅金屬白皮書》第二版

純銅是一種必不可少的材料,具有高導電率(國際退火銅標準 [IACS] 102%)和400 W/m·K的熱導率,通常應用於傳熱和電磁應用。

具有複雜幾何形狀的銅零件在眾多行業中也發揮著關鍵作用,這是其他材料難以替代的。另一方面,近年來增材製造的發展,包括粉末床熔融(PBF)、粘結劑噴射(BJ)和定向能量沉積(DED) 使製造複雜的金屬部件成為可能,包括純銅部件和結構。與傳統加工技術相比,PBF 提供了高解析度並提高了材料利用率。因此,銅的增材製造工藝主要集中在粉末床熔融(PBF)上。

純銅增材製造新工藝-小鐳射光斑、細分、小層厚

通常, 粉末床增材製造工藝包括粉末床鐳射熔化 (L-PBF) 和電子束熔化 (EB-PBF)。由於電子束熔化工藝沒有光反射引起的能量損失,透過該工藝增材製造的銅部件具有高密度和良好的效能,導電率超過100% IACS。

但一般來說,使用電子束熔化很難實現高解析度。儘管該領域已經嘗試使用 15-53 µm 銅粉來實現低粗糙度。另一方面,粉末床鐳射熔化領域還利用粉末尺寸在 15-53 µm 或更小的範圍內的各種層厚來探索高精度製造的可能性。 因此,使用粉末床鐳射熔化增材製造薄壁或光滑曲面的能力一直是研究界的極大興趣。

粉末床鐳射熔化工藝製造銅的挑戰來自其高鐳射反射和熱導率。通常,純銅塊體或粉末在大多數商用光纖鐳射器裝置上使用的波長(1060-1080 nm)處對鐳射能量的吸收率較低。高鐳射反射率導致高鐳射功率需求。此外,銅的高電導率導致快速冷卻,與其他電導率低的金屬相比,這導致熔池狹窄。由於銅的背反射,高鐳射功率會在暴露 12 小時後損壞鐳射光學元件,這限制了進一步增加鐳射功率以致密化部件的方法。

純銅增材製造新工藝-小鐳射光斑、細分、小層厚

© 3D科學谷《3D列印銅金屬白皮書》

在低功率下列印高反射元件是一種有吸引力的替代方案。透過減小鐳射光斑、切片層厚度和粉末尺寸,同時保持鐳射體積能量密度,低功率鐳射可用於製造完全緻密的部件。據報道,較小的銅粉能夠吸收更多的鐳射能量。因此,進一步同時減小鐳射光斑尺寸、粉末尺寸和列印層厚是正確的方向。圖1。(a)薄壁的製作方法(b),(c) 基板上所有薄壁樣品的製作結果和分類 (d)-(f) 側面,以及 (g)-(i) 頂面LOF ,分別為緻密化和過度融合樣品。圖2 (a), (b) 不同引數組製作的頂/側面粗糙度Ra (c), (d) 寬度/深度與LED的關係及擬合結果。圖3 (ac) LOF 側表面的微觀結構,(df, i)緻密化,(gh) 過度融合,(j) 不同引數組的樣品分類。圖5 不同引數下熔池形態的變化,(a)-(c)功率組,(d)-(f)速度組,(g)-(i)HD組。圖 7 (a)熱處理後樣品的電導率,(b) 熱處理後樣品的晶粒尺寸,(c)不同側面微觀結構的光學顯微照片,底部說明了它們對應的晶粒尺寸。圖 8 (a) 壁厚為 100 µm 的增材製造TPMS結構 (b) TPMS 壁的橫截面微觀形貌,(c) 頂/側表面的壁厚 (d) 頂/側/底表面粗糙度 Ra。圖 9 (a) 線性/體積能量密度表示的工藝視窗(b) 不同HD的最小LED和吸收率的理論計算結果。

研究團隊研究了由具有不同引數的單軌道列印的薄壁尺寸和粗糙度。在 160-200 W 功率和 650 mm/s 掃描速度下,可以實現頂面 Ra 小於 3 µm 和側面 Ra 小於 5 µm 的粗糙度。hp-LPBF在鐳射功率為200 W、掃描速度為600 mm/s、HD為0。05 mm的條件下實現了RD為99。6%、頂/側表面粗糙度Ra為4。2/7。8 µm的批次列印。

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hp-LPBF 工藝中的 0。05 mm HD 已被證明是最佳引數,並且透過理論計算解釋了導致 LOF 現象的低 HD 和高 HD,這證明了 HD 對能量吸收的影響。對1~12 h和500~1000 ℃的熱處理引數進行了測試,透過1000 ℃ 12 h的熱處理可以達到96% IACS和101。5 μm純銅晶粒尺寸的最佳條件。

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hp-LPBF 的最小頂壁厚度為 100 µm,用於列印複雜的純銅部件。最小側壁厚度為 149 µm,頂/側/底表面粗糙度顯示 Ra 為 3。3/14。8/19。2 µm。與列印純銅的其他增材製造技術相比,hp-LPBF 具有高解析度和低粗糙度的綜合處理能力。

論文連結:

https://www。sciencedirect。com/science/article/pii/S22148604

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