Il rame puro è un materiale ampiamente utilizzato nell'elettronica e nella produzione di energia grazie alla sua elevata conduttività termica ed elettrica. Le applicazioni corrispondenti spesso coinvolgono geometrie complesse combinate con materiali completamente densi per migliorare la conduttività elettrica. Per tali applicazioni, la produzione additiva (AM) sembra essere sufficiente per i nuovi progetti.
Più precisamente, l'elevata precisione e la risoluzione spaziale offerte dalla tecnologia Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) sembrano essere particolarmente adatte alla realizzazione di forme molto complesse e alla riduzione dello spreco di materiale nel processo. Tuttavia, a causa dell'elevata riflettività e dell'elevata conducibilità termica della polvere di rame sotto la radiazione laser infrarossa del laser, è ancora un vero problema tecnico fabbricare materiali di rame puro a bassa porosità con il metodo tradizionale L-PBF.
Proprietà della polvere di polvere di rame
Il rame ha un'eccellente conducibilità termica, conduttività elettrica e buona resistenza alla corrosione e duttilità, e nel sistema metallico, il rame ha una vasta gamma di fonti e basso costo e può essere ampiamente utilizzato in molti campi come materiali elettrici e termici, biomedicina, eccetera. . Il rame ha un'elevata riflettività alla luce laser, con una riflettività superiore al 90% per i laser con una lunghezza d'onda superiore a 1060 nm e un tasso di assorbimento superiore al 60% per i laser con una lunghezza d'onda di 515 nm. In questo caso, queste caratteristiche del rame pongono sfide nell'elaborazione della tecnologia di produzione additiva. Il rame ha una conduttività termica relativamente alta. Durante il processo di formatura, il calore verrà rapidamente trasferito all'area di fusione, con il risultato che gradienti termici locali più elevati possono facilmente portare a difetti di processo come arricciamento dello strato, delaminazione e rottura parziale delle parti. Inoltre, l'elevata duttilità del rame renderà difficile rimuovere e riciclare la polvere residua dalle parti formate. Inoltre, la polvere di rame ha un'elevata attività superficiale ed è facile da ossidare. La polvere di rame richiede una manipolazione e uno stoccaggio speciali.
I limiti dell'elevata conduttività termica del rame e l'elevata riflessione della luce laser rendono difficile il controllo del processo di formatura della tecnologia di produzione additiva di polvere di rame e il processo di formatura è difficile. Al momento, la ricerca e l'applicazione della stampa 3D del rame è in ritardo rispetto ad altri materiali metallici comuni. Il rame, in quanto tipico materiale di integrazione strutturale-funzionale, ha una vasta gamma di esigenze di produzione additiva ed è un punto di riferimento per la ricerca nel settore della stampa 3D.
Difficoltà tecniche della tradizionale fusione laser a letto di polvere che forma il rame
La fonte di calore della tecnologia di fusione selettiva laser è il raggio laser. L'elevata riflettività del rame al laser fa sì che la maggior parte dell'energia laser venga riflessa al sistema ottico durante il processo di formatura e solo una piccola parte dell'energia viene assorbita dalla polvere di rame. La roccia Xi è completamente fusa e le parti sono soggette a difetti come pori e crepe, il che porta difficoltà alla formazione del rame fuso selettivo al laser. Attualmente, nel campo della ricerca sulla fusione selettiva laser e sulla formatura del rame, la ricerca correlata si concentra principalmente sul miglioramento della densità delle parti.
Le prime ricerche erano limitate da strutture hardware come le apparecchiature laser. Durante il processo di formatura, era difficile per il laser fondere completamente la polvere di rame ed era difficile preparare parti dense. Con il continuo sviluppo della tecnologia laser, le prestazioni delle apparecchiature laser sono state continuamente migliorate e l'elevata potenza può essere utilizzata per aumentare la densità delle parti. Tuttavia, il laser restituito al sistema ottico danneggerà i componenti ottici, quindi alcuni ricercatori hanno proposto che metodi come la modifica della superficie della polvere di rame e la riduzione della lunghezza d'onda del laser possano migliorare l'elevata riflettività del rame. Le prime apparecchiature di formatura a fusione selettiva laser utilizzavano laser a bassa potenza, scarsa stabilità e bassa qualità del raggio, quindi era difficile ottenere la fusione completa della polvere di rame. Alla polvere di rame come legante può essere aggiunta solo polvere di lega con basso punto di fusione o alto tasso di assorbimento laser. Sotto scansione laser, il legante si scioglie per formare una fase liquida che riempie i pori tra le particelle di polvere di rame e si solidifica per ottenere la sinterizzazione Preparazione delle parti. Questo metodo è chiamato "metodo di sinterizzazione indiretta". Sebbene in questo modo si possa ottenere la stampa completa dell'intera parte, alcuni ricercatori correlati hanno scoperto che le parti ottenute sono meno dense.
Nel mondo accademico, Gu Dongdong dell'Università di aeronautica e astronautica di Nanjing ha utilizzato un laser CO2 con una potenza di uscita massima di 1 KW, polvere di CuSn pre-legata come legante e CuP come disossidante per sinterizzare Cu più CuSn più polvere di CuP per preparare un denso 82 percento di parti in rame. Tang Y et al. ha utilizzato un laser da 200 W per la sinterizzazione laser Cu più polvere Cu3P con polvere di metallo prelegato Cu3P come legante e infine ha preparato una parte con una densità del 76 percento. Inoltre, produttori nazionali come Shenghua 3D hanno anche fatto esplorazioni nella stampa 3D indiretta e nella formazione di materiali in rame e hanno fatto progressi.
In sintesi, si può vedere che le prime ricerche correlate sono ancora limitate dall'influenza della potenza del laser e della qualità del raggio, che rende bassa la densità delle parti preparate e scarsa la qualità di formatura. Ciò richiede l'uso di laser di maggiore potenza e di migliore qualità per superare la difficoltà del tasso di assorbimento della luce laser da parte del rame e produrre condizioni di formatura stabili, in modo da migliorare la qualità e le prestazioni della fusione selettiva del laser e la formatura di parti in rame.
Con il continuo sviluppo della tecnologia laser, anche la stabilità e la qualità del raggio dei laser sono state continuamente migliorate e sono state utilizzate alcune apparecchiature laser con alta qualità del raggio, alta stabilità e alta potenza. Alcuni ricercatori hanno sperimentato questo tipo di attrezzatura e hanno scoperto che la densità delle parti era notevolmente migliorata. LykovPA et al. ha utilizzato l'apparecchiatura Pro DM125 per preparare campioni di rame puro con diversi parametri di processo. In condizioni di potenza laser 200 W, velocità di scansione 100 mm/s, interlinea 0,12 mm e spessore dello strato 0,05 mm, campioni di rame puro con una densità di È stato ottenuto l'88,1%. Campioni di rame. Ikeshoji TT et al. ha utilizzato un'apparecchiatura SLM laser a fibra monomodale ad alta potenza da 1 kW, a condizione di una potenza laser di 800 W e una velocità di scansione di 300 mm/s, ha ottenuto un campione di rame puro con una densità del 96,6% e ha studiato l'effetto della distanza di scansione sulla formatura Secondo l'influenza della qualità del pezzo in lavorazione, si riscontra che quando la distanza di scansione è di circa 0,1 mm, la densità del campione ottenuto è la più alta. Colopi M et al. ha utilizzato la stessa apparecchiatura laser SLM per preparare campioni di rame puro con una densità superiore al 97%. Jadhav SD et al. ha utilizzato apparecchiature laser a fibra ad alta potenza per ottenere un campione con una densità fino al 98 percento nelle condizioni di processo di una densità di energia di 740-1120J/mm3.
Sebbene l'addensamento delle parti formate possa essere ottenuto aumentando la potenza del laser e ottimizzando il processo di formatura, il laser riflesso sul sistema ottico distruggerà il rivestimento ottico e danneggerà ulteriormente il laser. Pertanto, non è una soluzione efficace e fattibile fare affidamento esclusivamente sul miglioramento della qualità del raggio del laser e sull'aumento della potenza del laser. Solo riducendo la riflettività del rame alla potenza del laser è un modo efficace per risolvere questo problema. Perché il rame ha un tasso di assorbimento del laser superiore al 60 percento per lunghezze d'onda inferiori a 515 nm. Pertanto, la riduzione della lunghezza d'onda del laser e l'aumento del tasso di assorbimento del rame al laser è la chiave per realizzare la formatura selettiva laser del rame.
laser verde
Per risolvere il problema dell'elevata riflessione della luce laser da parte del rame, alcuni istituti di ricerca stranieri hanno iniziato a utilizzare sorgenti laser ad alta potenza di nuova concezione che funzionano nella gamma di lunghezze d'onda visibili e hanno provato a utilizzare apparecchiature laser con una lunghezza d'onda di 515 nm (laser verde ) per esperimenti. Migliore accoppiamento di energia laser-rame.
Nel 2017, i ricercatori del Fraunhofer Institute for Laser Technology in Germania hanno preso l'iniziativa nell'esplorazione della stampa laser verde del rame puro. Hanno sviluppato un sistema di fusione laser selettiva con laser verde (SLM) per rame puro o leghe di rame. Stampa 3D, la tecnologia si chiama "Green SLM".
Nel novembre 2022, Trumpf (TRUMP) ha dimostrato l'ultima stampante 3D TruPrint 5000 e la tecnologia laser verde alla fiera internazionale Formnext di Francoforte. Nel 2021, TRUMP ha lanciato il suo laser a disco verde continuo ad alta potenza da 3 kW. È stato riferito che la potenza di uscita media di questo prodotto è pari a 3 kilowatt, che rappresenta la potenza più elevata dell'attuale serie laser verde ed è molto adatta per la saldatura di materiali altamente riflettenti come rame e alluminio, in particolare nel litio industria delle batterie rappresentata dalle batterie di alimentazione per veicoli di nuova energia. , il laser verde Trumpf (1000-3000W) può raggiungere fino a 120 strati di saldatura di lamina di rame, quasi senza spruzzi e la profondità di penetrazione è precisa e controllabile. Inoltre, la luce verde ad alta potenza presenta anche vantaggi eccezionali nell'applicazione della produzione additiva di materiali in rame puro - 3stampa D.
Nel 2018, Shimadzu Corporation (Giappone) ha commercializzato il suo laser a diodi a impatto blu BLUE IMPACT, che può produrre 100 watt di potenza ad alta luminosità. Questo prodotto è stato sviluppato da Shimadzu Corporation in collaborazione con l'Università di Osaka in Giappone come parte di un progetto nazionale in Giappone. Il laser BLUE IMPACT combina molti diodi laser blu al nitruro di gallio (GaN) di Nichia Chemical Corporation (Giappone), raddoppiando l'efficienza dal 2006 e aumentando la potenza di uscita di un ordine di grandezza. Un'applicazione chiave per il laser a diodi blu da 450 nm di Shimadzu è la stampa 3D di materiali in rame.
Il suddetto laser verde è stato scoperto tra gli anni '60 e '80. A quel tempo, le persone usavano vari materiali cristallini non lineari per eseguire laser Nd: YAG a raddoppio della frequenza all'interno della cavità per ottenere sorgenti di luce verde. Negli anni '90, i laser verdi interamente a stato solido con elevata potenza e alta frequenza di ripetizione, che presentano i vantaggi di lunga durata, elevata affidabilità, dimensioni ridotte ed elevata efficienza, hanno raggiunto uno sviluppo senza precedenti. Con il miglioramento della qualità dei laser a semiconduttore domestici e la riduzione del prezzo dei laser a semiconduttore stranieri, anche la ricerca di laser verdi ad alta potenza a stato solido domestici ha fatto grandi progressi.
L'uso di laser verdi ha dimostrato di accoppiarsi meglio al rame nelle applicazioni di saldatura. Infatti, le lunghezze d'onda verdi (λ=532 o 515 nm) vengono assorbite più facilmente dal rame puro non solo allo stato solido ma anche allo stato liquido. I tassi di assorbimento corrispondenti dovrebbero essere compresi tra il 40% e il 60% allo stato solido e tra il 25% e il 50% allo stato liquido. Secondo i risultati della ricerca forniti dall'Istituto tedesco di tecnologia fotonica, quando il rame è allo stato solido a temperatura ambiente a 20 gradi, il tasso di assorbimento per la banda di luce verde è di circa il 40%; Invece, è sceso di circa il 5%. Cioè, l'assorbimento della luce verde diminuisce leggermente dopo che il rame si è fuso. Questa caratteristica aiuta a ottenere un piccolo foro stabile e quasi zero spruzzi durante la lavorazione del rame. Questo è l'ovvio vantaggio del laser verde rispetto alla saldatura laser a infrarossi. Pertanto, promuovere l'uso diffuso di laser verdi su rame L-PBF è l'obiettivo principale dell'attuale lavoro di ricerca.
laser blu
Un secondo possibile modo per migliorare l'accoppiamento energetico laser-rame è utilizzare una sorgente laser blu, pertanto anche i laser a diodi blu ad alta potenza a una lunghezza d'onda di 450 nm sono ottimi candidati per la stampa laser 3D del rame.
Nello studio del rame puro e della lega Cu-6Sn, Hummel et al. ha sottolineato che il tasso di assorbimento del rame per la luce laser blu è persino superiore a 515-530 nm e il tasso di assorbimento raggiunge l'80% nello stato di saldatura conduttiva, mentre a 515 nm il 60%. Tuttavia, anche se potenze più elevate sono già in fase di sviluppo, i diodi laser blu esistenti sono ancora limitati in termini di luminosità e diametro del raggio focalizzato disponibile, il che limita la loro possibile applicazione negli L-PBF, poiché ciò richiede una maggiore velocità di scansione per la saldatura laser.
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△ Rame, oro, alluminio e altri materiali assorbono la luce laser blu meglio di altre lunghezze d'onda della luce laser. Immagine via NUBURU/NASA 1969
Nel maggio 2022, Antarctic Bear apprende che Essentium, il produttore di apparecchiature originali dietro la tecnologia di stampa 3D ad alta velocità di estrusione (HSE), e NUBURU, uno specialista di laser industriali, hanno collaborato per sviluppare una nuova stampante 3D in metallo basata su laser blu in grado di risolvere i punti deboli della facile riflessione e della difficile formatura nel tradizionale processo di stampa 3D in metallo di rame/oro/alluminio/acciaio inossidabile e altri metalli. È stato riferito che la nuova macchina da stampa 3D laser in metallo integrerà la tecnologia laser blu proprietaria di NUBURU e sarà in grado di elaborare materiali sotto forma di alimentazione del filo, quindi possiamo dedurre che funziona secondo il principio della deposizione di energia diretta (DED). Inoltre, NUBURU afferma che la tecnologia laser blu può consentire la stampa 3D fino a 10 volte più velocemente rispetto ai concorrenti, stampando anche metallo a densità molto elevate.
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△Un laser blu NUBURU. Foto via NUBURU.
NUBURU, un'altra società focalizzata sulla tecnologia laser blu ad alta potenza, ha raccolto 20 milioni di dollari per sviluppare linee di produzione industriale e sviluppare mercati per lo stoccaggio di energia, i veicoli elettrici e la stampa 3D. Il rivestimento laser e la deposizione laser di metallo (LMD) sono due applicazioni in cui la materia prima viene riscaldata fino al punto di fusione e aderisce alla superficie. Secondo NUBURU, i vantaggi della sua tecnologia laser blu consentono il rivestimento di rame su acciaio inossidabile (e viceversa). I laser blu industriali possono depositare il rame metallico strato dopo strato. Questo vantaggio si estende al processo di produzione additiva con deposizione di metallo laser (LMD). Per oro, rame, alluminio e altri metalli riflettenti, il laser blu può costruire più velocemente dei laser a infrarossi, sono 10 volte più veloci e offrono una qualità superiore.
riassunto dell'orso polare
La ricerca di cui sopra dimostra che sia il laser verde che il laser verde possono essere utilizzati come fonte di luce preferita per la stampa 3D di materiali metallici altamente riflettenti e la stampa 3D di materiali in rame puro può risolvere bene i problemi correlati e ottenere una maggiore densità. Tuttavia, il costo di questi due laser è ancora elevato al momento e il miglioramento e la riduzione dei costi dei laser verdi/blu sono ancora problemi da risolvere in futuro. È prevedibile che se la tecnologia di stampa 3D laser può essere applicata a materiali in rame puro su larga scala, la dimensione del mercato dei materiali in rame per la stampa 3D dovrebbe essere ulteriormente ampliata.
