Čisti bakar je materijal koji se široko koristi u elektronici i proizvodnji električne energije zbog svoje visoke toplinske i električne provodljivosti. Odgovarajuće aplikacije često uključuju složene geometrije u kombinaciji s potpuno gustim materijalima kako bi se poboljšala električna provodljivost. Za takve primjene čini se da je aditivna proizvodnja (AM) dovoljna za nove dizajne.
Preciznije, čini se da su visoka preciznost i prostorna rezolucija koju nudi tehnologija Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) posebno pogodna za izradu vrlo složenih oblika i smanjenje otpada materijala u procesu. Međutim, zbog visoke reflektivnosti i visoke toplinske provodljivosti bakarnog praha pod laserskim infracrvenim laserskim zračenjem, još uvijek je pravi tehnički problem proizvesti materijale od čistog bakra niske poroznosti tradicionalnom L-PBF metodom.
Svojstva praha bakrenog praha
Bakar ima odličnu toplotnu provodljivost, električnu provodljivost i dobru otpornost na koroziju i duktilnost, a u metalnom sistemu bakar ima širok spektar izvora i niske cene, i može se široko koristiti u mnogim oblastima kao što su električni i termički materijali, biomedicina, itd. Bakar ima visoku reflektivnost laserske svjetlosti, sa reflektivnošću od više od 90 posto za lasere s talasnom dužinom većom od 1060 nm i stopom apsorpcije većom od 60 posto za lasere s talasnom dužinom od 515 nm. U ovom slučaju, ove karakteristike bakra donose izazove u preradi tehnologijom aditivne proizvodnje. Bakar ima relativno visoku toplotnu provodljivost. Tokom procesa formiranja, toplota će se brzo preneti na područje taline, što rezultira većim lokalnim toplotnim gradijentom koji lako može dovesti do grešaka u procesu kao što su uvijanje sloja, raslojavanje i delimični kvar delova. Osim toga, visoka duktilnost bakra će otežati uklanjanje i recikliranje zaostalog praha iz oblikovanih dijelova. Osim toga, bakreni prah ima visoku površinsku aktivnost i lako se oksidira. Bakarni prah zahtijeva posebno rukovanje i skladištenje.
Ograničenja visoke toplinske provodljivosti bakra i velike refleksije laserske svjetlosti otežavaju kontrolu procesa formiranja tehnologije proizvodnje aditiva u prahu bakra, a proces formiranja je težak. Trenutno istraživanje i primjena 3D štampe bakra zaostaje za nekim drugim uobičajenim metalnim materijalima. Bakar, kao tipičan strukturno-funkcionalni integracioni materijal, ima širok spektar potreba za aditivnom proizvodnjom i predstavlja žarište istraživanja u industriji 3D štampanja.
Tehničke poteškoće tradicionalnog laserskog praškastog sloja fuzije formiranja bakra
Izvor toplote tehnologije laserskog selektivnog topljenja je laserski snop. Visoka refleksivnost bakra prema laseru uzrokuje da se većina laserske energije reflektuje nazad u optički sistem tokom procesa formiranja, a samo mali dio energije apsorbuje bakarni prah. Xi stijena je potpuno otopljena, a dijelovi su skloni defektima kao što su pore i pukotine, što otežava formiranje laserskog selektivnog topljenja bakra. Trenutno, u oblasti istraživanja laserskog selektivnog topljenja i oblikovanja bakra, srodna istraživanja se uglavnom fokusiraju na poboljšanje gustine delova.
Rana istraživanja bila su ograničena hardverskim objektima kao što je laserska oprema. Tokom procesa formiranja, laseru je bilo teško da potpuno otopi bakarni prah, a teško je pripremiti guste dijelove. Uz kontinuirani razvoj laserske tehnologije, performanse laserske opreme se kontinuirano poboljšavaju, a velika snaga se može koristiti za povećanje gustine dijelova. Međutim, laser vraćen u optički sistem će oštetiti optičke komponente, a zatim su neki istraživači predložili da metode poput modifikacije površine bakarnog praha i smanjenja talasne dužine lasera mogu poboljšati visoku refleksivnost bakra. Rana oprema za formiranje selektivnog laserskog topljenja koristila je lasere male snage, slabe stabilnosti i niske kvalitete zraka, tako da je bilo teško postići potpuno topljenje bakarnog praha. Samo prah legure sa niskom tačkom topljenja ili velikom brzinom laserske apsorpcije može se dodati bakrenom prahu kao vezivo. Pod laserskim skeniranjem, vezivo se topi i formira tečnu fazu koja ispunjava pore između čestica bakarnog praha i stvrdnjava da bi se postiglo sinterovanje. Priprema delova. Ova metoda se naziva "metoda indirektnog sinterovanja". Iako se na ovaj način može postići potpuna štampa cijelog dijela, neki srodni istraživači su otkrili da su dobiveni dijelovi manje gustoće.
U akademskim krugovima, Gu Dongdong sa Univerziteta za aeronautiku i astronautiku Nanjing koristio je CO2 laser sa maksimalnom izlaznom snagom od 1 KW, prethodno legirani CuSn prah kao vezivo i CuP kao deoksidator za sinterovanje Cu plus CuSn plus CuP praha za pripremu gustog praha. 82 posto bakrenih dijelova. Tang Y et al. koristio laser od 200 W za lasersko sinterovanje Cu plus Cu3P praha sa prethodno legiranim metalnim prahom Cu3P kao vezivom i na kraju pripremio deo sa gustinom od 76 procenata. Osim toga, domaći proizvođači kao što je Shenghua 3D također su istraživali u indirektnom 3D štampanju i oblikovanju bakarnih materijala i napravili proboj.
Ukratko, može se vidjeti da su rana vezana istraživanja još uvijek ograničena utjecajem snage lasera i kvaliteta zraka, zbog čega je gustoća pripremljenih dijelova niska, a kvalitet oblikovanja loš. Ovo zahtijeva korištenje lasera veće snage i boljeg kvaliteta kako bi se prevazišla poteškoća u apsorpciji bakra laserske svjetlosti i proizveli stabilni uslovi oblikovanja, kako bi se poboljšao kvalitet i performanse laserskog selektivnog topljenja i formiranja bakarnih dijelova.
Kontinuiranim razvojem laserske tehnologije, stabilnost i kvalitet zraka lasera su također kontinuirano unapređivani, a u upotrebu je stavljena i određena laserska oprema visokog kvaliteta zraka, visoke stabilnosti i velike snage. Neki istraživači su eksperimentisali sa ovom vrstom opreme i otkrili da je gustoća delova znatno poboljšana. Lykov PA et al. koristio opremu Pro DM125 za pripremu uzoraka čistog bakra s različitim parametrima procesa. U uslovima snage lasera 200 W, brzine skeniranja 100 mm/s, razmaka redova 0,12 mm i debljine sloja 0,05 mm, uzorci čistog bakra sa gustinom od Dobijeno je 88,1 posto. Uzorci bakra. Ikeshoji TT i dr. koristio je 1KW SLM opremu za laserski laser s jednim modom od 1KW, pod uslovima snage lasera od 800 W i brzine skeniranja od 300 mm/s, dobio uzorak čistog bakra sa gustinom od 96,6 posto i proučavao uticaj udaljenosti skeniranja na oblikovanje Prema utjecaju kvalitete obratka, utvrđeno je da je pri udaljenosti skeniranja oko 0,1 mm gustoća dobivenog uzorka najveća. Colopi M et al. koristio je istu lasersku SLM opremu za pripremu uzoraka čistog bakra sa gustinom većom od 97 posto. Jadhav SD i dr. koristio je lasersku opremu velike snage za dobivanje uzorka gustoće do 98 posto u procesnim uvjetima gustoće energije od 740-1120J/mm3.
Iako se zgušnjavanje formiranih delova može postići povećanjem snage lasera i optimizacijom procesa formiranja, laser koji se reflektuje nazad u optički sistem će uništiti optički premaz i dodatno oštetiti laser. Stoga nije efikasno i izvodljivo rješenje oslanjati se samo na poboljšanje kvaliteta zraka lasera i povećanje snage lasera. Samo smanjenje refleksivnosti bakra na snagu lasera efikasan je način za rješavanje ovog problema. Jer bakar ima stopu laserske apsorpcije veću od 60 posto za valne dužine manje od 515 nm. Stoga je smanjenje talasne dužine lasera i povećanje stope apsorpcije bakra u laser ključ za realizaciju laserskog selektivnog formiranja bakra.
zeleni laser
U cilju rješavanja problema bakrenog velike refleksije laserske svjetlosti, neke strane istraživačke institucije počele su koristiti novorazvijene laserske izvore velike snage koji rade u vidljivom opsegu talasnih dužina, a pokušale su koristiti lasersku opremu talasne dužine od 515nm (zeleni laser ) za eksperimente. Poboljšano spajanje energije laser-bakar.
2017. istraživači na Fraunhofer institutu za lasersku tehnologiju u Njemačkoj preuzeli su vodstvo u istraživanju zelenog laserskog štampanja čistog bakra. Razvili su sistem zelenog laserskog selektivnog laserskog topljenja (SLM) za čisti bakar ili legure bakra. 3D štampa, tehnologija je nazvana "Zeleni SLM".
U novembru 2022. Trumpf (TRUMP) je demonstrirao najnoviji 3D štampač-TruPrint 5000 i tehnologiju zelenog lasera na međunarodnoj izložbi Formnext u Frankfurtu. 2021. TRUMP je lansirao svoj kontinuirani zeleni disk laser velike snage od 3 kW. Izvještava se da je prosječna izlazna snaga ovog proizvoda čak 3 kilovata, što predstavlja najjaču snagu u trenutnoj seriji zelenih lasera, te je vrlo pogodno za zavarivanje visokoreflektivnih materijala kao što su bakar i aluminij, posebno u litijuma. industriju baterija koju predstavljaju novi energetski akumulatori za vozila. , Trumpf zeleni laser (1000-3000W) može postići do 120 slojeva zavarivanja bakrene folije, gotovo bez prskanja, a dubina prodiranja je precizna i kontrolirana. Osim toga, zeleno svjetlo velike snage također ima izvanredne prednosti u primjeni aditivne proizvodnje materijala od čistog bakra - 3D štampanja.
U 2018. godini, Shimadzu Corporation (Japan) je komercijalizirala svoj BLUE IMPACT blue-impact diodni laser, koji može proizvesti 100 vati snage pri visokoj svjetlini. Ovaj proizvod je razvila Shimadzu Corporation u saradnji sa Univerzitetom Osaka u Japanu kao dio nacionalnog projekta u Japanu. BLUE IMPACT laser kombinuje mnoge plave laserske diode od galijum nitrida (GaN) iz Nichia Chemical Corporation (Japan), udvostručavajući efikasnost od 2006. i povećavajući izlaznu snagu za red veličine. Ključna primena za Shimadzuov 450nm plavi diodni laser je 3D štampanje bakarnih materijala.
Gore spomenuti zeleni laser otkriven je tokom 1960-ih do 1980-ih. U to vrijeme ljudi su koristili različite nelinearne kristalne materijale za izvođenje Nd:YAG lasera za udvostručenje frekvencije unutar šupljine kako bi dobili izvore zelenog svjetla. Tokom 1990-ih, potpuno poluprovodnički zeleni laseri velike snage i visoke stope ponavljanja, koji imaju prednosti dugog vijeka trajanja, visoke pouzdanosti, male veličine i visoke efikasnosti, postigli su razvoj bez presedana. Sa poboljšanjem kvaliteta domaćih poluprovodničkih lasera i smanjenjem cene stranih poluprovodničkih lasera, veliki napredak je postiglo i istraživanje domaćih potpuno čvrstih zelenih lasera velike snage.
Korištenje zelenih lasera pokazalo se da se bolje spaja sa bakrom u aplikacijama zavarivanja. Zapravo, čisti bakar lakše apsorbuje zelene talasne dužine (λ=532 ili 515 nm) ne samo u čvrstom već iu tečnom stanju. Očekuje se da će odgovarajuće stope apsorpcije biti između 40% i 60% u čvrstom stanju i 25% do 50% u tečnom stanju. Prema rezultatima istraživanja koje je dao Nemački institut za fotonsku tehnologiju, kada je bakar u čvrstom stanju na sobnoj temperaturi na 20 stepeni, stopa apsorpcije za zeleno svetlo je oko 40 procenata; Umjesto toga, opao je za oko 5 posto. Odnosno, apsorpcija zelenog svjetla blago se smanjuje nakon što se bakar otopi. Ova karakteristika pomaže da se postigne stabilna mala rupa i skoro nula prskanja pri mašinskoj obradi bakra. Ovo je očigledna prednost zelenog lasera u odnosu na infracrveno lasersko zavarivanje. Stoga je promicanje široke upotrebe zelenih lasera na L-PBF bakru glavni cilj trenutnog istraživačkog rada.
plavi laser
Drugi mogući način za poboljšanje spajanja energije lasera i bakra je korištenje izvora plavog lasera, stoga su laseri velike snage plave diode na talasnoj dužini od 450 nm također jaki kandidati za lasersko 3D štampanje bakra.
U istraživanju čistog bakra i Cu{0}}Sn legure, Hummel et al. istakao je da je stopa apsorpcije bakra za plavo lasersko svjetlo čak i veća od 515–530 nm, a stopa apsorpcije je čak 80 posto u provodljivom stanju zavarivanja, dok je na 515 nm 60 posto. Međutim, iako su veće snage već u razvoju, postojeće plave laserske diode su još uvijek ograničene u svjetlini i dostupnom promjeru fokusiranog snopa, što ograničava njihovu moguću primjenu u L-PBF-ovima, jer to zahtijeva veću Veću brzinu skeniranja za lasersko zavarivanje.
slika
△ Bakar, zlato, aluminijum i drugi materijali apsorbuju plavo lasersko svetlo bolje od drugih talasnih dužina laserskog svetla. Slika preko NUBURU/NASA 1969
U svibnju 2022. Antarctic Bear saznaje da su se Essentium, originalni proizvođač opreme iza tehnologije 3D štampanja visoke brzine ekstruzije (HSE) i NUBURU, stručnjak za industrijski laser, udružili da razviju novi metalni 3D štampač na bazi plavog lasera koji može riješiti bolne tačke lake refleksije i teškog oblikovanja u tradicionalnom metalnom procesu 3D štampanja bakra/zlata/aluminijuma/nerđajućeg čelika i drugih metala. Izvještava se da će nova mašina za lasersku metalnu 3D štampu integrirati NUBURU-ovu vlasnički plavi laser tehnologiju i biti u stanju da obrađuje materijale u obliku dodavanja žice, tako da možemo zaključiti da radi na principu usmjerenog taloženja energije (DED). Osim toga, NUBURU tvrdi da tehnologija plavog lasera može omogućiti 3D štampanje do 10 puta brže od konkurencije, dok također štampa metal na vrlo visokim gustinama.
slika
△NUBURU plavi laser. Fotografija preko NUBURU-a.
NUBURU, druga kompanija fokusirana na tehnologiju plavog lasera velike snage, prikupila je 20 miliona dolara za razvoj industrijskih proizvodnih linija i razvoj tržišta za skladištenje energije, električna vozila i 3D štampanje. Lasersko oblaganje i lasersko taloženje metala (LMD) su dvije primjene gdje se sirovina zagrijava do tačke topljenja i lijepi za površinu. Prema NUBURU-u, prednosti njegove tehnologije plavog lasera omogućavaju oblaganje bakra na nerđajući čelik (i obrnuto). Industrijski plavi laseri mogu taložiti bakarni metal sloj po sloj. Ova prednost se proteže na proces proizvodnje aditiva za lasersko taloženje metala (LMD). Za zlato, bakar, aluminij i druge reflektirajuće metale, plavi laser može graditi brže od infracrvenih lasera koji su 10 puta brži i pružaju veći kvalitet.
sažetak polarnog medvjeda
Navedeno istraživanje dokazuje da se i zeleni laser i zeleni laser mogu koristiti kao poželjni izvor svjetlosti za 3D printanje metalnih materijala visoke refleksije, a 3D printanje materijala čistog bakra može dobro riješiti povezane probleme i postići veću gustoću. Međutim, cijena ova dva lasera je trenutno još uvijek visoka, a poboljšanje i smanjenje troškova zeleno/plavih lasera i dalje su problemi koje treba riješiti u budućnosti. Predvidljivo je da će se, ako se tehnologija laserskog 3D štampanja može primijeniti na materijale od čistog bakra u velikim razmjerima, veličina tržišta bakarnih materijala za 3D štampu dodatno proširiti.
