纯铜及铜合金是应用最广泛的金属材料之一，仅次于铁、铝，也是人类应用最早的一种金属。铜及铜合金具有一系列的优异特性：高导电、高导热、耐蚀、耐磨、抑菌等，被广泛应用于电力、电子、通讯、化工、汽车、轨道交通、海洋工程、航空航天、生活饰品等领域。
与传统加工制造技术相比，纯铜／铜合金的粉末床激光熔融技术能够更好地发挥铜优异的性能，在电子、电力、汽车、航空航天等导热／导电高需求领域具有广阔的应用前景。国内外研究团队积极对纯铜／铜合金的粉末床激光熔融展开研究，在展现这一技术的巨大应用潜力的同时，也暴露了许多问题与挑战，例如纯铜对红外激光的吸收率极低，成形样件致密度低，孔隙率高，存在分层、开裂等问题。这些问题是纯铜及铜合金粉末床选区激光熔融（LPBF）增材制造技术工业应用发展的主要障碍，无法对铜及铜合金进行高效、高质量的增材制造，极大地限制了 LPBF 增材制造技术对铜这类高反射、高导电、高导热优异材料的赋能。
以单模连续光纤绿光激光器为能量来源的粉末选区激光熔融增材制造技术，是克服纯铜、铜合金等高反射金属增材制造挑战的实现途径之一。近日，希禾增材发文剖析了全球绿光激光器发展现状，绿激光3D打印技术在纯铜与铜合金增材制造领域的特有优势以及应用案例。本期3D科学谷将分享该文。
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绿激光3D打印铜材料解决方案
纯铜及铜合金对近红外激光（如波长1064nm激光）的高反射，高导热性和低熔体粘度是影响铜材料打印的主要因素。铜的高反射使近红外激光束能量超95%被反射，不仅不会加热材料，反射的激光还会对设备核心光学元器件造成极大的损害；铜的高导热性使溶体热量迅速传到周围粉末，导致很难形成平整规则的熔道，而且随着打印的进行，底层的已凝固部分还可能发生重熔，加重了不稳定情况的发生；理想的粉末床选区激光熔融增材制造的熔池应该是光滑均匀的，但铜溶体的低粘度使得熔池中的熔液四处流动而没有足够的热量让周围的粉末完全熔化，导致周围容易产生熔渣。
由于纯铜及铜合金优异的导热、导电等性能与粉末床选区激光熔融增材制造技术3D打印复杂结构能力相结合具有极大的市场潜力，国内外的研究机构进行了各种努力以提升纯铜／铜合金的成形质量、成形效率，促进其工业应用发展。如在纯铜中添加预合金化元素将降低其对近红外激光的反射率，或通过纯铜铜粉表面改性从而提高材料的激光吸收率，获得了较高致密度，但由于合金元素的加入大大降低了其导电、导热性能；还有通过提高近红外激光功率来提升成形质量。如华南理工大学增材制造实验室通过自主研发的LPBF 增材制造设备，以350W的激光功率成形纯铜，致密度最高达到93.9%。Ikeshoji等在800W高激光功率下，通过LPBF技术成形纯铜，获得了致密度为96.6%的立方块。Jadhav等使用搭载1kW高功率光纤激光器的LPBF设备成形纯铜立方状样件，样件的致密度超过98%。Colopi等使用１ｋＷ的高功率单模光纤激光器lpbf成形纯铜，样件最高致密度达到99.1%。研究表明，使用大功率激光器成形铜零件将会增加反冲压力以及产生汽化、飞溅等不良现象。同时，由于纯铜的高反射率，增大激光功率会加速激光器等光学元器件的损坏。因此，增大激光功率在一定程度上可以提升纯铜及铜合金的成形质量，但不是最佳的成形方案。也有通过优化聚焦光斑、粉末粒径和扫描策略等来提高纯铜打印质量的，如香港理工大学用极小聚焦光斑（25μm）、极小打印层厚（10μm）、极小粒径铜粉（5-25μm）和小扫描间距（50μm）进行打印，致密度最高达到了99.6%。但这样的打印效率较低。为了找到了更高质量、更高效的方法成形铜材料，国内外研究人员对比铜材料对不同波长激光的吸收率，发现铜对蓝光、绿光激光的吸收率相比红外激光均高出十倍以上，使用蓝光、绿光等短波长激光进行高质量纯铜及铜合金LPBF将更为简单、高效。同时，由于高功率蓝光激光主要是通过数个蓝光半导体芯片合束后耦合到多模大芯径光纤中输出，无法实现跟目前常用的红外连续光纤激光器一样的高光束质量（M2≤1.05）、高亮度以及长时间功率的稳定性（年功率衰减比例＜5%），而对标单模红外连续光纤激光器的单模连续光纤绿光激光器已经做到500W-1000W，在激光功率、光束质量以及稳定性上都能满足高质量高效率的纯铜及铜合金LPBF制造。德国Samira Gruber等人采用绿光激光LPBF设备打印的纯铜样块致密度最高达到99.95%，电导率也高达100%IACS; Sung-Gyu Kang等使用绿光激光设备打印纯铜晶格结构也取得了很好的效果。因此，以单模连续光纤绿光激光器为能量来源的LPBF设备是目前纯铜及铜合金高质量高效率制造的最可靠方式。
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随着短波长激光器的功率及光束质量等不断取得的突破，特别是单模连续绿光激光器功率达到500W、700W、1000W，并经过优化纯铜及铜合金成形策略、成形条件等，突破了铜材料增材制造的难题。为其在电子电气、汽车、航空航天等导热／导电高需求领域的广阔应用奠定了坚实的基础。
德国通快：2019年年底推出全球最早的绿激光金属3D打印商用设备，开创性的将新的TruDisk 1020磁盘激光器与TruPrint 1000 3D打印机连接起来，并成功实现了对纯铜射频四极加速器（RFQ）这一关键铜部件的整体打印。碟片激光器(Disk Laser)，又称圆盘激光器，它与传统的固体激光器的本质区别在于激光工作物质的形状，将传统的固体激光器的棒状晶体改为碟片晶体。拥有功率稳定性高等优势，但由于是多模光纤输出（50um NA0.1），其聚焦光斑直径相比于单模光束较大。
图1.通快3D打印的射频四极加速器（RFQ）
IPG：早在2015年年底，IPG就发布了输出功率高达500W的单模QCW（脉冲）绿光光纤激光器。目前金属3D打印主流的是单模连续光纤激光器，由于脉冲激光器不能连续出光，理论上并不能完全适应LPBF工艺需求，金属3D打印市场上鲜有使用QCW单模光纤激光器相关报道。据悉，目前国内外有部分金属3D打印厂家在测试中，但测试结果还未见公开。
图2.IPG QCW绿光单模光纤激光器
希禾增材：母公司公大激光，是目前国内100W以上高功率绿光光纤激光器实现批产交货的唯一厂家，用于3D打印的单模连续绿光光纤激光器，激光功率涵盖500W、700W、1000W三种，希禾增材已于2023年9月面向全球市场推出首款市场化绿激光金属打印机XH-M160G。
图3.公大激光单模连续绿光光纤激光器
图4. 希禾增材绿激光金属打印机XH-M160G
大功率单模连续绿光激光器凭借其波长短、光束质量优的特点，在铜及铜合金增材制造上有明显的优势，高的激光吸收率和小的聚焦光斑使得其在铜及铜合金增材制造上有更高的成形效率、更好的成形质量、更高的打印分辨率及更大的工艺窗口。
图5. 典型粉末材料对各波长激光的吸收率
图6. 单模连续绿光光纤激光打印纯铜（希禾增材）（致密度≥99.5%）
图7. 单模连续绿光激光器在铜及铜合金增材制造上的优势
绿光激光3D打印不仅实现了高效、高质量打印纯铜及铜合金，还扩展了LPBF 增材制造工艺的可打印材料范围，为复合材料3D打印提供更多可能。使用具有不同物理特性的多种材料的3D打印，将为高度复杂、轻量级的组件制造提供前所未有的设计自由度，从而为工业应用创造新的发展高度。如一体化的钢-铜换热散热器、铜合金和铬镍铁合金组成的推力室等，都可以为行业的发展提供巨大的推力。
图8.国外企业创建的多材料3D打印部件
绿激光3D打印铜材料案例介绍
纯铜（紫铜）电导率和热导率仅次于银，是最合适的电、热导体，广泛用于制作导电及热管理器材。纯铜还具有优异的耐腐蚀性能，在大气、海水和某些非氧化性酸(盐酸、稀硫酸)、碱、盐溶液及多种有机酸(醋酸、柠檬酸)中，有良好的耐蚀性，被广泛应用于化工等领域。而经过增材制造技术的赋能，纯铜能发挥出更大的效能，希禾增材使用单模连续绿光光纤激光器作为光源，进过整合及优化，3D打印纯铜件致密度超过99.5%，电导率超过98%IACS（打印态），经过简单退火处理后电导率更是超过100%IACS，达到101.5%IACS。如纯铜3D打印换热器、散热器、感应热处理用的电感器、电机绕组等方向都得到了应用，并体现出了其特有优势，如3D打印纯铜换热器、散热器优良的散热、换热性能，及优异的一体化、小型化、轻量化能力，都给产品带来明显的竞争优势。再如纯铜打印的热处理用的复杂感应器，其一体化成形、与加热产品高度随形、高尺寸精度、高一致性，有效的解决了复杂感应器传统制造方式需要大量焊接，整体电导率低、成本高、尺寸精度低、一致性差的问题。更能制造处结构优良但传统方式难以制造的感应器，在提高加热产品质量的同时，也使得复杂电感器寿命提高2-4倍。
图9.(A)EOS 3D打印的新型纯铜散热器, (B)希禾增材3D打印的新型纯铜散热器
图10.(A)TRUMPF 3D打印的纯铜散热器，(B)(C)希禾增材XH-M160G 3D打印的纯铜换热器
图11.希禾增材XH-M160G 3D打印的纯铜热处理感应器
图12.希禾增材XH-M160G 3D打印的纯铜电机绕组
CuSn10合金强度较高，耐磨和耐腐蚀性能优良，可以用于制造叶片、齿轮等耐磨零件，也常常用于工艺品打印等，如为青铜文物保护、修复、再现、展示等发挥越来越多的作用。也是目前用于LPBF打印较多的铜合金材料之一。
图13.Concept Laser公司打印的骑马者青铜雕像
图14.AMCM公司使用铜合金打印的E-1火箭引擎燃烧室
CuCrZr合金是一种沉淀硬化型合金，合金力学性能优异，被广泛用作燃烧室，热核实验反应堆的壁，液体火箭发动机部件等。近年来国内外航天单位围绕火箭发动机推力室零件的增材制造开展了较多研究和开发工作，CuCrZr是当前可选材料。值得一提的是，火箭发动机零件用铜合金材料仍在不断更新迭代之中，CuZr、CuCr、CuAgZr、CuCrNb等材料陆续都有应用研究，尤其是美国NASA正在进行增材制造验证的GRcop-42（Cu-4Cr-2Nb at%），有望将火箭发动机燃烧室材料提升至新的等级。
图15 (A)SPEE3D印出铜制火箭喷嘴内衬 (B)希禾增材打印的铜制燃烧室内衬
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