銅激光熔化：AFU克服的密度挑戰(zhàn)

魔猴君  科技前沿   5小時(shí)前

AFU是一家專門從事機(jī)械加工的法國公司，自2014年以來一直投資金屬3D打印，以擴(kuò)大其能力并生產(chǎn)更復(fù)雜的部件?，F(xiàn)在配備了3臺(tái)機(jī)器，它花了兩年的時(shí)間致力于銅的參數(shù)化，特別是銅鉻鋯合金(CuCrZr)的參數(shù)化。目標(biāo)是能夠在配備400W紅外激光器的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器上以優(yōu)異的密度3D打印銅零件，同時(shí)保留其固有特性。自2024年夏季以來，它已經(jīng)能夠制造層厚度為40微米的致密零件(>99.5%)，這在法國尚屬首次，因此它能夠應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。

AFU公司總部位于圣馬洛，多年來一直為不同行業(yè)的工業(yè)客戶實(shí)施項(xiàng)目提供支持。2014年，它轉(zhuǎn)向金屬增材制造，特別是激光粉末床融合(L-PBF/SLM)，以便一次性提供更復(fù)雜的定制零件甚至原型。該公司提供多種金屬，包括以其熱性能和電性能而聞名的銅。然而，這些也是粉末狀銅比鈦、鋁或鋼等其他金屬更難打印的原因。

3D打印CuCrZr電感器

增材制造中的銅

近年來，增材制造市場(chǎng)圍繞銅取得了眾多發(fā)展，銅是一種因其導(dǎo)電性、延展性、耐磨性甚至耐腐蝕性而特別受到贊賞的金屬。因此，它非常適合航空航天和電子、熱交換器或感應(yīng)器的制造等應(yīng)用。然而，銅并不是一種容易打印的金屬，特別是當(dāng)使用使用紅外激光的機(jī)器時(shí)，就像大多數(shù)激光融合解決方案的情況一樣。

事實(shí)上，銅消耗了部分激光能量，導(dǎo)致功率顯著損失，從而無法實(shí)現(xiàn)最佳融合。使用功率為200W或400W的紅外激光器（相當(dāng)于市場(chǎng)上的大多數(shù)金屬解決方案）時(shí)，熔化不完全，從而產(chǎn)生脆弱區(qū)域、孔隙率過高和電導(dǎo)率過低。具體來說，需要使用100%的激光功率才能獲得滿意的結(jié)果和良好的密度。然而，傳輸?shù)讲牧系?0%的能量會(huì)損失（由粉末耗散或在熔化過程中反射）。因此，我們知道，使用如此功率的激光器，如果沒有專門的開發(fā)，我們無法彌補(bǔ)損失，并且獲得的部件將是多孔的。

CuCrZr 3D打印鏤空球

如何克服這一挑戰(zhàn)？

第一個(gè)解決方案是使用具有更強(qiáng)大激光（例如1kW）的機(jī)器。它們存在于市場(chǎng)上，但非常昂貴，并且需要在基礎(chǔ)設(shè)施方面進(jìn)行額外投資才能容納它們。

另一種選擇是選擇綠色激光器，它比紅外激光器具有更高的銅吸收率。因此，獲得的零件具有更好的性能并且參數(shù)設(shè)置更容易確定。然而，配備這種激光器的機(jī)器仍然很少見，價(jià)格昂貴，并且通常在打印量大小方面受到限制。

最后，一些市場(chǎng)參與者研究了銅本身的成分。通過在銅顆粒（例如石墨烯）上涂覆涂層，可以改善能量吸收。然而，這會(huì)改變金屬的熱性能和電性能，這對(duì)于生產(chǎn)所需零件來說可能存在問題。

因此，使用400W激光機(jī)克服打印銅挑戰(zhàn)的可能性似乎是有限的。面對(duì)這一觀察結(jié)果，AFU進(jìn)行了兩年的研究，以找到在EOS M290 400W 3D打印機(jī)上使用CuCrZr合金的理想?yún)?shù)設(shè)置。

3D打印CuCrZr冷卻器

AFU銅版打印

在2021年投資了一臺(tái)新的金屬機(jī)器EOS M290 400W后，AFU開始使用純銅進(jìn)行測(cè)試。如果生產(chǎn)的演示部件令人滿意，具有良好的表面光潔度和良好的尺寸精度，那么集成管道的部件則不會(huì)給出相同的結(jié)果。事實(shí)上，金相檢查顯示了上述所有局限性。注意到孔隙率太大，導(dǎo)致無法制造防水部件。最終可以在400W的機(jī)器上用紅外激光打印出性能良好的銅嗎？

然后，AFU開始測(cè)試1kW機(jī)器，并對(duì)由CuCp（商業(yè)純銅）40μm標(biāo)準(zhǔn)制成的多個(gè)部件進(jìn)行表征。密度更好，結(jié)果令人滿意。然而，對(duì)于這家法國公司來說，投資這種解決方案的成本太高了。然后，她問自己當(dāng)前機(jī)器的參數(shù)問題，并開始努力在不同參數(shù)之間找到適當(dāng)?shù)钠胶狻?/span>

有四個(gè)因素直接影響增材制造中銅的熔化：層厚度、激光掃描速度、激光功率和矢量之間的距離。與其他金屬（例如TA6V鈦或AlSi10Mg）相比，這四個(gè)參數(shù)之間的平衡更難找到。

隨后，AFU對(duì)所用粉末的粒徑、化學(xué)成分、激光融合時(shí)材料的行為、增材制造的粉末供應(yīng)商等進(jìn)行了多項(xiàng)研究。根據(jù)非常精確的實(shí)驗(yàn)室控制要求（粉末的表觀密度和填充密度、粉末的化學(xué)成分、粉末的粒度、零件的化學(xué)成分、牽引力和電氣的控制）進(jìn)行了大量的測(cè)試電導(dǎo)率）。由兩家不同的粉末供應(yīng)商測(cè)試了兩種制造層厚度——20微米和40微米。

經(jīng)過幾次打印后，AFU在其400W機(jī)器上達(dá)到了預(yù)期的結(jié)果。她解釋說：“我們能夠通過穩(wěn)定且可重復(fù)的工藝生產(chǎn)防水部件，其冶金性能與棒材、板材、線材等中的CuCrZr相當(dāng)。我們是法國唯一一家在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器上以40μm尺寸進(jìn)行此操作的公司。例如，EOS M400 1kW上提供的CuCrZr專門采用80μm尺寸?！?/span>

編譯整理：3dnatives