上海交通大學研究團隊采用希禾增材綠激光3D打印設備，實現高質量純銅器件的增材制造

導讀：純銅和銅合金具有高導熱、高導電、耐腐蝕等一系列優(yōu)異特性，廣泛應用于航空航天、新能源、大數據、汽車工程以及飾品等領域。

激光粉末床熔融技術（LPBF，即選區(qū)熔融技術/SLM），能夠對結構復雜的金屬部件進行高精度和高效率的一體式成型，已經快速發(fā)展成為了金屬增材制造領域的主流技術。

傳統(tǒng)的LPBF設備通常采用紅外激光作為光源，但對于銅及銅合金等高反金屬材料，紅外激光的吸收率較低。當紅外激光與這些金屬材料作用時，大部分激光能量未能被材料吸收，而是被反射回設備。這不僅會導致材料熔融的不充分，形成內部氣孔和空隙，還可能損壞設備的光學器件，影響設備的穩(wěn)定性并縮短其使用壽命。因此，傳統(tǒng)的LPBF設備在打印高反金屬時仍面臨諸多難題，例如打印件的致密度偏低、打印效率低下、飛濺嚴重以及設備不穩(wěn)定等。

銅和銅合金等高反金屬在綠光波段的吸收率顯著高于紅外波段。使用綠光熔融這些材料時，大部分激光能量能夠被材料有效吸收，有利于獲得充分的熔融，從而實現高致密度的打印件。同時，由于激光能量的利用率比較高，打印效率也將大幅提高。此外，由于綠光的能量利用率較高，材料反射的激光能量較少，有效地減少了熔融過程中的飛濺現象，為設備的長時間連續(xù)穩(wěn)定運行提供了重要保障。

深圳希禾增材技術有限公司（希禾增材），基于自主研發(fā)的高功率單模光纖綠光激光器，率先推出綠激光粉床熔融（GL-PBF）設備，為高質量銅部件的增材制造提供了新的機遇。這些設備使得銅及銅合金的增材制造變得更加可行和高效，也為高反金屬材料的創(chuàng)新應用開辟了新通道。

△圖1. 典型金屬材料對各波長激光的吸收率，來源 www.addireen.com

2024年10月，來自上海交通大學核科學與工程學院與上海大學材料基因組工程學院的研究團隊，在專注于材料加工與制造技術研究的國際學術期刊Journal of Materials Processing Technology上發(fā)表了題為"Enhanced electrical and mechanical properties of additively manufactured pure copper with green laser" (DOI: 10.1016/j.jmatprotec.20 24.118615)的文章。研究旨在通過綠色激光粉床熔融（GL-PBF）技術，解決純銅的高反射率問題。同時關注銅部件的相對密度、表面粗糙度、力學性能和導電性等特性，填補純銅GL-PBF工藝參數優(yōu)化的研究缺口，為高反射金屬材料的激光增材制造提供框架。該研究同時展現出希禾增材公司綠激光金屬3D打印設備在科學研究領域卓越的應用能力，進一步驗證了綠色激光粉床熔融技術（GL-PBF）在銅材料增材制造方面的優(yōu)異表現。

在實驗中，研究團隊使用希禾增材公司的XH-M160G綠激光（λ = 532 nm）設備對純銅粉末進行打印。由于綠色激光器波長（約532 nm）與銅的反射特性相匹配，銅材料能夠更好地吸收激光能量，從而實現更高的熔化效率和更均勻的熱分布。這有助于提高最終產品的物理性能，滿足更多的應用場景。希禾增材公司XH-M160G設備采用500W單模連續(xù)光纖激光器，平均光斑直徑為30μm，銅粉的吸收率約為85%。該研究通過固定掃描間距，調節(jié)掃描速度、激光功率等參數，觀察不同條件下實驗樣品的的微觀結構、機械與電氣性能等變化，系統(tǒng)地探索了這些因素對材料性能的影響。

該研究圍繞綠激光粉床熔融（GL-PBF）技術，探討其工藝參數在制造銅部件過程中如何影響材料的各項性能，揭示了它們對純銅樣件的致密化、微觀結構、表面粗糙度、力學性能性能和電導率的關鍵作用。研究結果表明，通過優(yōu)化GL-PBF參數可以實現相對密度超過99.9%，且電導率達到98%國際退火銅標準（IACS）的銅部件，這一發(fā)現也驗證了綠色激光在增材制造領域中的巨大前景。此外，研究還結合實驗與有限元分析建模，進一步探索了缺陷形態(tài)對打印材料電導率的影響；針對電導率和孔隙性之間的關系，提出了多種模型，為增材制造過程中如何控制這些缺陷提供了全新的視角。

△圖2. 圖解摘要, 來源: https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2024.118615

綠激光粉床熔融（GL-PBF）技術不僅可以實現了純銅及銅合金的高效、高質量打印，同時也為其它高反金屬和高熔點金屬材料（黃金，鉑金，銀，鉭和鎢等）的增材制造提供了全新的解決方案。此外，也為常規(guī)金屬材料更高效和更精細的打印提供了新方案。

△圖3. 希禾增材公司綠激光3D金屬設備打印 Cu, CuCrZr, CuCrNb, CuSn10 樣件

深圳希禾增材技術有限公司作為中國綠激光3D打印整體解決方案的提供商，專注于高反金屬增材制造裝備的研發(fā)與制造。設備光源采用自主研發(fā)的500-1000W高功率單模連續(xù)光纖綠光激光器，輸出光束具有光束質量高、穩(wěn)定性高、聚焦光斑更細小的優(yōu)點。與傳統(tǒng)的LPBF設備相比，希禾增材的GL-PBF設備在純銅、銅合金、黃金及鉑金等材料的增材制造領域具有更高的成型效率、更好的成型質量、更高的打印分辨率及更大的工藝窗口等優(yōu)勢。

希禾增材成功推出率多款綠激光金屬3D打印設備（M160G, M350G, M100G等），并在航空航天、新能源汽車、感應加熱線圈、及高速通訊器件等工業(yè)領域獲得較多實際應用。這些設備打印的純銅部件的熱導率可達390W/m·K, 打印的液冷散熱器件和換熱部件能夠在0.5mm壁厚的條件下承受大于8MPa水壓，打印的TPMS結構散熱器件的最薄壁厚可達0.08mm。

未來，深圳希禾增材技術有限公司將持續(xù)探索高性能綠激光3D打印設備的技術創(chuàng)新，并且努力推動GL-PBF技術在各行業(yè)的創(chuàng)新應用，為全球高端制造業(yè)的持續(xù)發(fā)展貢獻力量。