銅金屬3D打印感應(yīng)加熱應(yīng)用已經(jīng)商業(yè)化

2024年7月25日,，南極熊獲悉,，美國工業(yè)感應(yīng)加熱系統(tǒng)的制造商Tucker Induction已與Nikon（尼康）SLM Solutions建立合作伙伴關(guān)系，它們的目標(biāo)是在美國市場上成為使用SLM 280系列系統(tǒng)進(jìn)行先進(jìn)銅3D打印技術(shù)的開創(chuàng)者,。中國的綠光金屬3D打印廠商希禾增材的一些客戶,，也已經(jīng)成功應(yīng)用到感應(yīng)加熱,，并進(jìn)行商業(yè)化。

△Tucker Induction Systems和Nikon SLM Solutions合作進(jìn)行銅3D打印技術(shù)的開發(fā)

SLM 280 2.0提供280 x 280 x 365 mm的打印空間以及多光束激光技術(shù),，非常適合中批量生產(chǎn)金屬部件以及原型生產(chǎn),。多激光器系統(tǒng)的打印速度比單激光器快80%。獲得專利的雙向粉末應(yīng)用有助于減少打印過程中的鋪料機(jī)構(gòu)行程次數(shù),，從而減少制造時間。

Nikon SLM Solutions的首席商務(wù)官Charlie Grace表示：“我們很高興支持Tucker Induction 在感應(yīng)行業(yè)推廣銅3D打印技術(shù),。此次合作體現(xiàn)了我們致力于推動創(chuàng)新并提供尖端解決方案以滿足客戶不斷變化需求的承諾,�,！�

△Nikon SLM 280

3D打印感應(yīng)線圈和銅部件

在美國,，銅3D打印技術(shù)并不常見,，但通過此次合作,，Tucker Induction現(xiàn)在能夠打印感應(yīng)線圈和銅部件,。這一合作為行業(yè)設(shè)立了新的標(biāo)準(zhǔn),，實(shí)現(xiàn)了高效和高質(zhì)量的生產(chǎn),，以滿足各行業(yè)的需求,。通過提供可靠的銅3D打印解決方案，填補(bǔ)了市場上的一大空白,。這種能力不僅提升了Tucker Induction的生產(chǎn)效率,，還為復(fù)雜和高性能設(shè)計開辟了新的可能性。

Tucker Induction的經(jīng)理Joshua Tucker表示：“我們很高興成為美國少數(shù)幾家使用銅3D打印感應(yīng)線圈的公司之一,。與Nikon SLM Solutions的合作使我們能夠突破感應(yīng)行業(yè)的極限,。”

Tucker Induction的老板Rocky Tucker補(bǔ)充道：“與Nikon SLM Solutions的合作使我們能夠創(chuàng)新和開發(fā)功能性銅電感器,。他們的技術(shù)和合作熱情是我們成功的關(guān)鍵,。”

△感應(yīng)工具和配件

關(guān)于Tucker Induction

作為感應(yīng)加熱行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者,，自1976年以來一直致力于提供世界一流的質(zhì)量,、服務(wù)和交付標(biāo)準(zhǔn)，憑借領(lǐng)導(dǎo)力,、團(tuán)隊(duì)合作和奉獻(xiàn)精神,。我該公司致力于創(chuàng)新和采用新技術(shù)，以確保不僅成為行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者,，還能為客戶提供所需的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)和產(chǎn)品,。無論是新產(chǎn)品的設(shè)計與制造，還是現(xiàn)有產(chǎn)品的維修,，都能滿足用戶在感應(yīng)領(lǐng)域的所有需求,。

發(fā)布首臺近單模2000W連續(xù)綠光激光器，公大激光為銅材料3D打印提供更多可能

激光技術(shù),，自20世紀(jì)中葉誕生以來,，已成為現(xiàn)代科技的基石之一,，其發(fā)展背景豐富而深遠(yuǎn)。1960年,，第一臺激光器的問世標(biāo)志著一個新時代的開啟,，梅曼利用紅寶石晶體成功產(chǎn)生了相干光，這種新型光源具有前所未有的單色性,、相干性和方向性，為科學(xué)研究和技術(shù)應(yīng)用開辟了新天地,。進(jìn)入21世紀(jì)后,，隨著半導(dǎo)體泵浦技術(shù)、光纖激光技術(shù)和超快激光技術(shù)的發(fā)展,，激光技術(shù)迎來了新的飛躍,。半導(dǎo)體泵浦技術(shù)提高了激光器的電光轉(zhuǎn)換效率，降低了制造成本,。光纖激光器以其高功率,、高穩(wěn)定性和緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計，成為工業(yè)加工的優(yōu)選,。超快激光器則以其超短脈沖特性,，在微納加工和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。當(dāng)前,，激光技術(shù)正朝著更高功率,、更高精度和更廣泛應(yīng)用的方向發(fā)展。

隨著光纖激光器技術(shù)的快速發(fā)展,，激光器的輸出功率,、光束質(zhì)量和電光效率不斷提高，為高功率綠光激光器的研發(fā)提供了技術(shù)基礎(chǔ),。非線性光學(xué)倍頻技術(shù)的發(fā)展,，使得從紅外光纖激光器轉(zhuǎn)換到綠光激光器成為可能，提高了綠光激光器的輸出功率,。在工業(yè)加工領(lǐng)域,，高功率激光設(shè)備在航空航天、汽車制造,、船舶制造等領(lǐng)域的切割,、焊接、打標(biāo),、測量發(fā)揮著重要的作用,；在醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域，激光的精確性和控制能力使其在眼科手術(shù)、皮膚治療和其他醫(yī)療程序中得到廣泛應(yīng)用,。激光技術(shù)已經(jīng)滲透到日常生活的方方面面,，從工業(yè)制造到藝術(shù)創(chuàng)作,，再到科學(xué)研究,。隨著技術(shù)的進(jìn)步，高功率激光器的研發(fā)使得激光在工業(yè)加工能力上得到顯著提升,。

高功率,、短波長激光的應(yīng)用發(fā)展及優(yōu)勢
高功率綠光激光器的發(fā)展備受關(guān)注。連續(xù)光纖激光器由于其運(yùn)轉(zhuǎn)模式連續(xù)及其波導(dǎo)式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),，具有輸出激光能量均勻,、高增益、高轉(zhuǎn)換效率,、可實(shí)現(xiàn)超高功率輸出,、光束質(zhì)量較好、容易實(shí)現(xiàn)單模輸出和性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),。

激光與材料相互作用的原理是復(fù)雜多樣的,，不同的激光參數(shù)（如波長、功率,、脈沖寬度等）和材料特性會導(dǎo)致不同的相互作用效果,。這些相互作用的結(jié)果在激光技術(shù)的應(yīng)用中有著廣泛的利用，如材料加工,、醫(yī)療治療,、科學(xué)研究等。

銅材料是世界上應(yīng)用最廣的金屬材料之一,，在常溫條件下,，如圖1所示，銅材對1064nm波段的激光吸收率只有不到5%,，而對532nm的綠光的吸收率可以達(dá)到40%,，相當(dāng)于是近紅外波段激光的8倍。而銅材大量應(yīng)用于鋰電,、微電子等行業(yè),，目前工業(yè)界使用最多的是1064nm波段的近紅外激光器，由于銅對1064nm波段激光吸收率低從而會在加工過程中出現(xiàn)效率低,、氣泡,、飛濺等問題，而綠光激光用于銅等高反材料的切割,、焊接,、增材制造應(yīng)用的效果比近紅外激光效果有明顯優(yōu)勢。因此實(shí)現(xiàn)高功率、高效率的連續(xù)綠光輸出成為激光器的研究熱點(diǎn)之一,。

△圖1. 銅對不同波長的吸收率

引自《高功率連續(xù)綠光激光器的研究進(jìn)展》

圖2表示了幾種典型粉末材料對不同波長激光的吸收率曲線圖,。可以看出不同材料對不同波長激光的吸收率曲線不同,。加工過程中材料吸收的激光能量可以轉(zhuǎn)化為熱能,，導(dǎo)致材料局部溫度升高。這種熱效應(yīng)在激光切割,、焊接和熱處理等過程中非常重要,，導(dǎo)致材料發(fā)生相變，如熔化,、蒸發(fā)或升華,。

△圖2. 典型粉末材料對各波長激光的吸收率

綠光激光器的一個重要應(yīng)用是3D打印技術(shù)。在金屬3D打印領(lǐng)域,，綠光激光器可以提高打印質(zhì)量,，實(shí)現(xiàn)純銅材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)的3D 打印，圖3為單模連續(xù)綠光光纖激光器純銅打印分析結(jié)果,，設(shè)備集成商為希禾增材,，采用公大激光推出的500W單模綠光激光器作為打印光源。

△圖3. 單模連續(xù)綠光光纖激光器打印純銅（希禾增材）（致密度≥99.5%）

使用單模連續(xù)綠光光纖激光器作為光源,，在打印純銅方面的應(yīng)用是一個相對較新的技術(shù)領(lǐng)域,，它利用了綠光激光器的光束特性來克服傳統(tǒng)激光技術(shù)在處理高反射材料時遇到的挑戰(zhàn)。由于純銅對綠光的吸收率遠(yuǎn)高于對近紅外光的吸收率,，使得綠光激光器在銅材料的加工上更為有效,。另一方面，單模激光器產(chǎn)生的光束具有很高的質(zhì)量和一致性,，這對于精密加工至關(guān)重要,，尤其是在打印純銅時，可以確保打印過程的精細(xì)度和一致性,。

△圖4. 希禾增材XH-M160G 3D打印的純銅熱處理感應(yīng)器

△圖5. 希禾增材XH-M160G 3D打印的純銅電機(jī)繞組

而在短波長激光器的開發(fā)中,，紫外（UV）激光器和藍(lán)光激光器因其獨(dú)特的應(yīng)用特性而備受關(guān)注。由于紫外激光波長較短,，對材料的純度和光學(xué)特性要求極高,，目前難以找到能夠承受高功率紫外激光的材料，市場上出現(xiàn)的超過百瓦的紫外激光器并不多見,。藍(lán)光激光器雖然目前已有制造商實(shí)現(xiàn)了千瓦級的功率輸出,，但在光纖合束前，藍(lán)光激光器需要進(jìn)行空間合束,，這一過程對激光光束的質(zhì)量,、穩(wěn)定性和功率分布有嚴(yán)格要求,，與光纖激光器相比，藍(lán)光激光器的光束質(zhì)量較差,，這限制了其在某些精密加工應(yīng)用中的性能,。

另一方面，經(jīng)過各國科研人員的努力,，商用的綠光激光器近年取得較大的進(jìn)展,。德國通快集團(tuán)(TRUMPF)于2021年推出高功率連續(xù)綠光碟片激光器TruDisk 3022，能夠提供多模3kW的最高輸出功率,，是目前綠激光系列中的最高功率,，展示了其在銅材焊接方面的應(yīng)用優(yōu)勢,，但其價格非常昂貴,。美國IPG公司于2022年推出了世界上第一臺千瓦級單模納秒脈沖綠光激光器GLPN-1000，可提供高達(dá)1kW的平均功率,，整機(jī)體積小巧,，電光轉(zhuǎn)換效率高達(dá)25%，引起了產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注,。

希禾增材綠激光金屬3D打印機(jī)
2023年9月,，公大激光的全資子公司——深圳希禾增材發(fā)布了首款綠激光金屬3D打印機(jī)XH-M160G，成型尺寸160×160×200mm,，可打印銅,、鋁、金等高反射金屬,，打破了國內(nèi)空白,，隨著綠光金屬3D打印技術(shù)的逐步普及應(yīng)用，市場需求更大成型尺寸的設(shè)備,。

△ 2024上海TCT展會南極熊采訪希禾增材

2024年3月,，希禾增材又推出最新的綠激光金屬3D打印機(jī)XH-M350G，凈成型尺寸達(dá)到350*350*500mm,，可選配單/雙綠激光,，可以滿足大部分當(dāng)前市場上打印紫銅（Cu）、銅鉻鋯（CuCrZr）,、銅鉻鈮（CuCrNb）,、錫青銅（CuSn10）、銅鋁合金,、銅鎳合金,、鎢、鉭,、黃金,、鉑金等材料,。

△希禾增材綠激光金屬3D打印機(jī)XH-M350G

中國的綠光金屬3D打印廠商希禾增材的一些客戶，也已經(jīng)成功應(yīng)用到感應(yīng)加熱,，并進(jìn)行商業(yè)化,。
近單模2千瓦連續(xù)綠光激光器
據(jù)市場研究公司Optech Consulting的最新報告顯示，2023 年全球材料加工激光系統(tǒng)市場規(guī)模估計為 235 億美元,，同比增長 4%,。隨著高端制造業(yè)的發(fā)展，對高功率綠光激光器的需求不斷增長,。

深圳公大激光,，主要從事“先進(jìn)短波長光纖激光器"和“激光精密加工解決方案”的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售,，是一家專注于中高功率短波長（綠光和紫外）全光纖激光器的研發(fā),、生產(chǎn)和應(yīng)用方案的激光器公司。公大激光繼2022年推出的500W單模綠光激光器和2023年推出的1000W單模和和3000W多模連續(xù)綠光激光器之后,，本次新推出最高輸出功率達(dá)到2千瓦近單模綠光光纖激光器,，已得到終端相關(guān)行業(yè)客戶的測試驗(yàn)證。

△圖6. 近單模2千瓦連續(xù)綠光激光器產(chǎn)品

主要激光特性,，測試結(jié)果如下：
（1）激光器基本參數(shù)

△表1. 激光器基本參數(shù)

（2）功率穩(wěn)定性,，連續(xù)出光拷機(jī)12h，整機(jī)功率波動小于1.5%

圖7. 12小時功率穩(wěn)定性測試曲線

（3）光斑能量分布測試

△圖8. 光斑能量分布測試圖

（4）光束質(zhì)量測試

△圖9. 光束質(zhì)量測試圖@2千瓦

四,、結(jié)語與展望
公大激光最新推出的近單模2千瓦連續(xù)綠光激光器,，是全球最高平均功率的準(zhǔn)單模連續(xù)光纖綠光激光器。該產(chǎn)品的推出,，為高反材料的加工提供了更充足的能量,，近單模輸出保證了激光光束的高質(zhì)量和一致性，有望為厚銅材加工帶來的更高焊接質(zhì)量,、更高效率和熔深,。全光纖基頻和腔外倍頻的結(jié)構(gòu)，提供了高度的穩(wěn)定性和可靠性,，同時保證了激光器的緊湊性和易集成性,。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場的不斷成熟，我們有理由相信,，高功率光纖綠光激光器將為社會帶來更多的可能性,。

高功率綠光在銅材精密焊接上有著明顯優(yōu)勢，特別在電控的IGBT和扁線電機(jī)焊接上,，具有熱影響小,，飛濺小，拉力穩(wěn)定,，良率高,。除了在銅等高反金屬材料焊接上有突出的物理特性優(yōu)勢,；還在高精密、高效率銅材料3D打印上,，有著巨大的應(yīng)用潛力,。

未來，公大激光將繼續(xù)努力,，開發(fā)更多創(chuàng)新技術(shù),，進(jìn)一步提高激光器的功率、效率和可靠性,，同時降低成本,，匹配更多重要的應(yīng)用場景，為全球高端制造升級貢獻(xiàn)力量,。