激光選擇性熔化(SLM)銅合金3D打印技術(shù)

激光選擇性熔化(SLM)銅合金3D打印技術(shù)

    高導(dǎo)電率銅合金在軍工、航空航天、艦船制造、高鐵、地鐵、電動(dòng)汽車、通訊設(shè)備等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但我國(guó)每年需要的高導(dǎo)電銅合金50%依靠進(jìn)口。該材料在航空航天、艦船等應(yīng)用，由于導(dǎo)電性能更優(yōu)秀，所需材料少，可減輕航空器和艦船等本體重量，節(jié)材降耗，還能再多裝載其他設(shè)備等；用于互聯(lián)網(wǎng)、通訊設(shè)備等，信息傳遞速度更快；應(yīng)用于電動(dòng)汽車電池，比現(xiàn)在的電池一次充電能多跑10—20公里等；用于海底電纜，由于安全和耐腐耐用，使用年限更長(zhǎng)，節(jié)省了電纜更換的巨額費(fèi)用等。
 

高導(dǎo)電銅的應(yīng)用
    銅金屬3D打印技術(shù)主要被應(yīng)用在航空、國(guó)防領(lǐng)域，美國(guó)AerojetRocketdyne研發(fā)的RL10液氫燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中就使用了3D打印的銅合金推力室部件。美國(guó)航天局NASA在銅質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)襯3D打印方面也取得了突破，打印材料為GRCo-84銅合金。
    銅以其延展性而聞名，是金屬3D打印機(jī)看似理想的打印材料。此外，金屬表現(xiàn)出僅次于銀的導(dǎo)熱率水平，并且高導(dǎo)電性使其適用于工業(yè)應(yīng)用。
    但銅合金的激光3D打印卻不是一件容易的事情，我們所周知的原因如下：
    1）銅合金和金銀一樣，導(dǎo)熱性能良好、比熱容小、浸濕性能差、表面有堅(jiān)硬的氧化膜，對(duì)光斑的反射率較大，這就使得激光產(chǎn)生的熱量在其表面不易停留，直接熔覆功能涂層難以實(shí)現(xiàn)；做激光的太容易理解這一點(diǎn)了，銅合金反射鏡就是在激光中的典型應(yīng)用。
    2）銅合金基體與涂層的材料體系之間的性能差別很大，使用過(guò)程中的界面失效問(wèn)題要得到一定的重視，在中間要有相應(yīng)的過(guò)渡層連接；銅合金、金銀的延展性好，大家也是太熟悉不過(guò)了，
    3）涂層內(nèi)韌性不足，熱裂和應(yīng)力等缺陷存在于涂層內(nèi)部。
    由于銅的導(dǎo)熱性和反射性*，這使得銅金屬在3D打印機(jī)內(nèi)部難以操作。但是銅金屬在激光熔化的過(guò)程中，吸收率低，激光難以持續(xù)熔化銅金屬粉末，從而導(dǎo)致成形效率低，冶金質(zhì)量難以控制等問(wèn)題。此外，銅的高延展性給去除多余粉末這樣的后處理工作增加了難度。
    “根據(jù)表面性質(zhì)，”弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（FraunhoferILT）快速制造小組研究員DanielHeussen解釋說(shuō)，“純銅會(huì)反射高達(dá)90％的激光輻射。根據(jù)表面性質(zhì)的不同，純銅在常規(guī)使用的1μm激光波長(zhǎng)中反射高達(dá)90％的激光輻射能量?！?br/>    綠色SLM
    為了解決銅對(duì)激光的高反射問(wèn)題，Heussen和他的同事們正在推出“SLM綠色”項(xiàng)目，旨在改變3D打印機(jī)在銅粉末床上加工所遇到的挑戰(zhàn)。ILTHeussen和同事們正在開(kāi)展“綠色SLM”項(xiàng)目，尋求改變3D打印機(jī)從銅粉末床上制造物體的方式
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    形狀記憶合金的實(shí)際應(yīng)用：
    中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的YueZhang等人進(jìn)行了Cu50Zr50的SLM研究，如下圖顯示了在掃描時(shí)溫度的分布變化。
另外據(jù)報(bào)道，日本6大工業(yè)機(jī)器人開(kāi)發(fā)商之一的Daihen公司和日本國(guó)家技術(shù)研究所（大阪府）*近似乎已經(jīng)聯(lián)合找到了解決之道—通過(guò)使用銅合金粉末和傳統(tǒng)的M2金屬3D打印機(jī)，他們開(kāi)發(fā)出了一種叫做3D層壓成型的新方法。而據(jù)江蘇激光聯(lián)盟秘書(shū)處了解，這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)就是既能實(shí)現(xiàn)銅的3D成型，又能很大程度上保證其不會(huì)失去原有屬性（主要是導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性）。事實(shí)上根據(jù)研究者的說(shuō)法，如果重點(diǎn)關(guān)注導(dǎo)電性，這種方法*高可實(shí)現(xiàn)打印件90%的純銅率，并且還能將銅的抗拉伸性能“植入”到打印件當(dāng)中！
    不過(guò)除此之外，這種技術(shù)也有其它優(yōu)點(diǎn)，比如在制造單獨(dú)部件上能顯著縮短時(shí)間，從而提高效率，降低成本?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，這種新技術(shù)有望在航空航天，汽車和醫(yī)療等許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。而事實(shí)上，其開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)利用它取得了一些成果，比如3D打印出了以往很難通過(guò)3D打印制造出的疊層激光器，以及成功改造了大電流水冷柜，令其冷卻性能明顯提高，尺寸和重量卻明顯下降。
    SLM激光通常在光的紅外光譜范圍內(nèi)運(yùn)行，而這造成了銅的低吸收率，光的能量也不能有效地熔化金屬。使用綠色激光，需要的激光功率輸出更少。此外，激光束可以更*地聚焦，從而制造出更精細(xì)的部件。
    Heussen補(bǔ)充說(shuō)：“我們希望有一個(gè)更均勻的熔池動(dòng)力學(xué)，這樣我們就可以制造高材料密度的組件，以及獲得其他積極效果，如更高的細(xì)節(jié)分辨率?！边@個(gè)項(xiàng)目預(yù)計(jì)將在2019年年中完成，獲得了德國(guó)聯(lián)邦工業(yè)研究協(xié)會(huì)（AiF）的資助。