A tiszta réz nagy hő- és elektromos vezetőképessége miatt széles körben használt anyag az elektronikában és az energiatermelésben. A megfelelő alkalmazások gyakran összetett geometriákat foglalnak magukban teljesen sűrű anyagokkal kombinálva az elektromos vezetőképesség javítása érdekében. Az ilyen alkalmazásokhoz az additív gyártás (AM) elegendőnek tűnik az új tervekhez.
Pontosabban, a Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) technológia által kínált nagy pontosság és térbeli felbontás különösen alkalmasnak tűnik nagyon összetett formák készítésére és az anyagpazarlás csökkentésére a folyamat során. A rézpor lézeres infravörös lézersugárzás alatti nagy fényvisszaverő képessége és nagy hővezető képessége miatt azonban továbbra is valódi műszaki problémát jelent az alacsony porozitású tiszta réz anyagok hagyományos L-PBF módszerrel történő előállítása.
A rézpor por tulajdonságai
A réz kiváló hővezető képességgel, elektromos vezetőképességgel, jó korrózióállósággal és hajlékonysággal rendelkezik, a fémrendszerben pedig a réz források széles skálája és alacsony költsége van, és széles körben felhasználható számos területen, például elektromos és termikus anyagok, biomedicina, stb. A réznek nagy a visszaverő képessége a lézerfénnyel szemben, 1060 nm-nél nagyobb hullámhosszú lézereknél több mint 90 százalékos visszaverő képességgel, 515 nm hullámhosszú lézereknél pedig több mint 60 százalékos abszorpciós rátával. Ebben az esetben a réz ezen tulajdonságai kihívást jelentenek az additív gyártástechnológia feldolgozásában. A réz viszonylag magas hővezető képességgel rendelkezik. Az alakítási folyamat során a hő gyorsan átkerül az olvadék területére, aminek következtében a magasabb helyi termikus gradiensek könnyen folyamathibákhoz vezethetnek, mint például a réteg felgöndörödéséhez, rétegvesztéshez és részleges alkatrészhibához. Ezenkívül a réz nagy rugalmassága megnehezíti a maradék por eltávolítását és újrahasznosítását a formált alkatrészekből. Ezenkívül a rézpor nagy felületi aktivitással rendelkezik, és könnyen oxidálható. A rézpor különleges kezelést és tárolást igényel.
A réz nagy hővezető képességének és a lézerfény nagy visszaverődésének korlátai megnehezítik a rézpor adalékos gyártási technológia alakítási folyamatának szabályozását, és az alakítási folyamat is nehézkes. Jelenleg a réz 3D-nyomtatásának kutatása és alkalmazása elmarad néhány más elterjedt fémanyag mögött. A réz, mint tipikus szerkezeti-funkcionális integrációs anyag, széles körű additív gyártási igényekkel rendelkezik, és kutatási hotspot a 3D nyomtatási iparban.
A hagyományos lézerporágyas fúziós rézképző technikai nehézségei
A lézeres szelektív olvasztási technológia hőforrása a lézersugár. A réz lézerre való nagy visszaverő képessége miatt a lézerenergia nagy része visszaverődik az optikai rendszerbe az alakítási folyamat során, és az energiának csak egy kis részét nyeli el a rézpor. Xi kőzet teljesen megolvad, és az alkatrészek hajlamosak olyan hibákra, mint a pórusok és repedések, ami megnehezíti a lézeres szelektív olvasztó réz kialakítását. Jelenleg a réz lézeres szelektív olvasztásának és alakításának kutatási területén a kapcsolódó kutatások elsősorban az alkatrészek sűrűségének javítására irányulnak.
A korai kutatást olyan hardvereszközök korlátozták, mint a lézeres berendezések. A formázás során a lézer nehezen tudta teljesen megolvasztani a rézport, és nehéz volt sűrű részeket előállítani. A lézertechnológia folyamatos fejlesztésével a lézeres berendezések teljesítménye folyamatosan javult, a nagy teljesítménnyel növelhető az alkatrészek sűrűsége. Az optikai rendszerbe visszaküldött lézer azonban károsítja az optikai komponenseket, majd egyes kutatók azt javasolták, hogy az olyan módszerek, mint a rézpor felületének módosítása és a lézer hullámhosszának csökkentése javítsák a réz nagy fényvisszaverő képességét. A korai lézeres szelektív olvasztó formázó berendezések kis teljesítményű, gyenge stabilitású és gyenge sugárminőségű lézereket használtak, így nehéz volt elérni a rézpor teljes olvasztását. Kötőanyagként csak alacsony olvadáspontú vagy nagy lézerabszorpciós sebességű ötvözetpor adható a rézporhoz. A lézeres szkennelés során a kötőanyag megolvad és folyékony fázist képez, amely kitölti a rézpor részecskék közötti pórusokat, és megszilárdul, hogy elérje a szinterezést Az alkatrészek előkészítése. Ezt a módszert "közvetett szinterezési módszernek" nevezik. Bár így a teljes alkatrész teljes kinyomtatása elérhető, néhány kapcsolódó kutató azt találta, hogy a kapott részek kevésbé sűrűek.
A tudományos körökben Gu Dongdong, a Nanjing Repülési és Űrhajózási Egyetemről 1 KW maximális kimeneti teljesítményű CO2-lézert, előötvözött CuSn-port kötőanyagként és CuP-t deoxidálószerként használt a réz plusz CuSn plusz rézpor szinterelésére, hogy sűrű anyagot hozzon létre. 82 százaléka réz alkatrészek. Tang Y et al. 200 W-os lézerrel lézerszinterező Cu plusz Cu3P port kötőanyagként előötvözött fémporral, Cu3P-vel, végül 76 százalékos sűrűségű alkatrészt készített. Emellett a hazai gyártók, mint például a Shenghua 3D is kutatásokat végeztek a közvetett 3D nyomtatás és a rézanyagok formázása terén, és áttörést értek el.
Összefoglalva megállapítható, hogy a korai vonatkozású kutatásokat még korlátozza a lézerteljesítmény és a sugárminőség befolyása, ami miatt az előkészített részek sűrűsége alacsony, az alakítási minőség pedig rossz. Ehhez nagyobb teljesítményű és jobb minőségű lézerek használatára van szükség a réz lézerfény abszorpciós sebességének nehézségeinek leküzdésére, és stabil formázási feltételeket biztosítva, hogy javítsák a lézeres szelektív olvasztási és alakítási rézrészek minőségét és teljesítményét.
A lézertechnológia folyamatos fejlesztésével a lézerek stabilitása és sugárminősége is folyamatosan javult, illetve néhány jó sugárminőségű, nagy stabilitású és nagy teljesítményű lézerberendezés került használatba. Egyes kutatók ilyen típusú berendezésekkel kísérleteztek, és azt találták, hogy az alkatrészek sűrűsége jelentősen javult. Lykov PA et al. Pro DM125 berendezést használtak különböző folyamatparaméterekkel rendelkező tiszta rézminták előállítására. 200 W lézerteljesítmény, 100 mm/s pásztázási sebesség, 0,12 mm sortávolság és 0,05 mm rétegvastagság mellett tiszta réz minták sűrűsége: 88,1 százalékot sikerült elérni. Rézminták. Ikeshoji TT et al. 1 kW-os nagy teljesítményű egymódusú szálas lézeres SLM berendezést használtunk 800 W lézerteljesítmény és 300 mm/s pásztázási sebesség mellett 96,6 százalékos sűrűségű tiszta rézmintát kaptunk, és vizsgáltuk a pásztázási távolság hatását. alakításkor A munkadarab minőségének befolyása alapján azt találtuk, hogy amikor a pásztázási távolság körülbelül 0,1 mm, akkor a kapott minta sűrűsége a legnagyobb. Colopi M et al. ugyanazt a lézeres SLM berendezést használta 97 százaléknál nagyobb sűrűségű tiszta rézminták előállítására. Jadhav SD et al. nagy teljesítményű szálas lézerberendezést használt, hogy 740-1120J/mm3 energiasűrűség mellett 98 százalékos sűrűségű mintát nyerjen.
Bár a formázott részek tömörítése a lézerteljesítmény növelésével és az alakítási folyamat optimalizálásával elérhető, az optikai rendszerre visszaverődő lézer tönkreteszi az optikai bevonatot és tovább károsítja a lézert. Ezért nem hatékony és megvalósítható megoldás pusztán a lézer sugárminőségének javítására és a lézerteljesítmény növelésére hagyatkozni. Csak a réz visszaverő képességének csökkentése a lézerteljesítményre hatékony módja a probléma megoldásának. Mivel a réz lézerabszorpciós aránya több mint 60 százalék 515 nm-nél kisebb hullámhosszon. Ezért a lézer hullámhosszának csökkentése és a réz abszorpciós sebességének növelése a kulcs a réz lézeres szelektív alakításához.
zöld lézer
A réz lézerfény nagy visszaverődésének problémájának megoldására egyes külföldi kutatóintézetek újonnan kifejlesztett, nagy teljesítményű, látható hullámhossz-tartományban működő lézerforrásokat kezdtek alkalmazni, és megpróbáltak 515 nm hullámhosszú lézerberendezést alkalmazni (zöld lézer). ) kísérletekhez. Továbbfejlesztett lézer-réz energia csatolás.
2017-ben a németországi Fraunhofer Lézertechnológiai Intézet kutatói vezető szerepet vállaltak a tiszta réz zöld lézernyomtatásának kutatásában. Kifejlesztettek egy zöld lézeres szelektív lézerolvasztási (SLM) rendszert tiszta rézhez vagy rézötvözetekhez. 3D nyomtatás, a technológia a "Green SLM" nevet kapta.
2022 novemberében a Trumpf (TRUMP) a Frankfurti Nemzetközi Formnext kiállításon bemutatta a legújabb 3D nyomtató-TruPrint 5000-et és a zöld lézertechnológiát. 2021-ben a TRUMP piacra dobta 3 kW-os nagy teljesítményű folyamatos zöld lemezes lézerét. A jelentések szerint ennek a terméknek az átlagos kimeneti teljesítménye eléri a 3 kilowattot, ami a jelenlegi zöld lézersorozat legerősebb teljesítménye, és nagyon alkalmas erősen tükröződő anyagok, például réz és alumínium hegesztésére, különösen a lítiumban. akkumulátoripar, amelyet az új energiahordozó-akkumulátorok képviselnek. , A Trumpf zöld lézer (1000-3000W) akár 120 rétegű rézfólia hegesztést is képes elérni, szinte fröcskölés nélkül, a behatolási mélység pedig precíz és szabályozható. Ezenkívül a nagy teljesítményű zöld fénynek kiemelkedő előnyei vannak a tiszta réz anyagok additív gyártásában is, - 3D-nyomtatás.
2018-ban a Shimadzu Corporation (Japán) kereskedelmi forgalomba hozta BLUE IMPACT blue-impact dióda lézerét, amely 100 watt teljesítményt képes előállítani nagy fényerő mellett. Ezt a terméket a Shimadzu Corporation fejlesztette ki a japán Osaka Egyetemmel együttműködve egy japán nemzeti projekt részeként. A BLUE IMPACT lézer a Nichia Chemical Corporation (Japán) sok gallium-nitrid (GaN) kék lézerdiódáját egyesíti, ami 2006 óta megduplázza a hatékonyságot, és egy nagyságrenddel növeli a kimeneti teljesítményt. A Shimadzu 450 nm-es kék dióda lézerének egyik legfontosabb alkalmazása a rézanyagok 3D nyomtatása.
A fent említett zöld lézert az 1960-as és 1980-as években fedezték fel. Abban az időben az emberek különféle nemlineáris kristályanyagokat használtak az üregen belüli frekvencia-duplázó Nd:YAG lézerek végrehajtására, hogy zöld fényforrásokat szerezzenek. Az 1990-es években példátlan fejlődést értek el a nagy teljesítményű és nagy ismétlési gyakoriságú, teljes szilárdtest-zöld lézerek, amelyek előnye a hosszú élettartam, a nagy megbízhatóság, a kis méret és a nagy hatékonyság. A hazai félvezető lézerek minőségének javulásával és a külföldi félvezető lézerek árának csökkenésével a hazai szilárdtest-nagyteljesítményű zöldlézerek kutatása is nagy előrelépést tett.
A zöld lézerek alkalmazása jobban illeszkedik a rézhez a hegesztési alkalmazásokban. Valójában a zöld hullámhosszokat (λ=532 vagy 515 nm) a tiszta réz könnyebben elnyeli nemcsak szilárd, hanem folyékony halmazállapotban is. A megfelelő abszorpciós arány szilárd állapotban 40 és 60 százalék között, folyékony halmazállapotban pedig 25 és 50 százalék között van. A Német Fotontechnológiai Intézet kutatási eredményei szerint, amikor a réz szobahőmérsékleten, 20 fokon szilárd állapotban van, a zöld fénysáv elnyelési aránya körülbelül 40 százalék; Ehelyett körülbelül 5 százalékkal csökkent. Vagyis a zöld fény elnyelése kissé csökken a réz megolvadása után. Ezzel a tulajdonsággal stabil kis lyukat és szinte nulla fröcskölést érhetünk el a réz megmunkálásánál. Ez a zöld lézer nyilvánvaló előnye az infravörös lézerhegesztéssel szemben. Ezért a jelenlegi kutatási munka fő célja a zöld lézerek L-PBF rézre való széles körű alkalmazásának elősegítése.
kék lézer
A lézer-réz energiacsatolás javításának másik lehetséges módja a kék lézerforrás használata, ezért a nagy teljesítményű, 450 nm hullámhosszú kék dióda lézerek is erős jelöltek a réz lézeres 3D-nyomtatására.
A tiszta réz és a Cu{0}}Sn ötvözet tanulmányozása során Hummel et al. rámutatott, hogy a kék lézerfénynél a réz abszorpciós sebessége még 515-530 nm-nél is nagyobb, vezetőképes hegesztési állapotban pedig akár 80 százalék, míg 515 nm-en 60 százalék. Azonban annak ellenére, hogy a nagyobb teljesítmények már fejlesztés alatt állnak, a meglévő kék lézerdiódák fényereje és fókuszált sugárátmérője továbbra is korlátozott, ami korlátozza alkalmazásukat az L-PBF-ekben, mivel ehhez nagyobb, nagyobb pásztázási sebességre van szükség a lézerhegesztéshez.
kép
△ A réz, az arany, az alumínium és más anyagok jobban elnyelik a kék lézerfényt, mint a lézerfény más hullámhosszai. Kép a NUBURU/NASA 1969-ből
2022 májusában az Antarktisz Medve megtudja, hogy az Essentium, a High Speed Extrusion (HSE) 3D nyomtatási technológia mögött álló eredeti berendezésgyártó és a NUBURU, egy ipari lézerspecialista összefogott egy új, kék lézer alapú fém 3D nyomtató kifejlesztésében, amely képes megoldani a könnyű tükröződés és a nehéz formázás fájdalmas pontjai a hagyományos fém 3D nyomtatási eljárásban réz/arany/alumínium/rozsdamentes acél és más fémek esetében. A hírek szerint az új lézeres fém 3D nyomtatógép integrálni fogja a NUBURU szabadalmazott kéklézeres technológiáját, és képes lesz anyagokat is feldolgozni huzaladagolás formájában, így arra következtethetünk, hogy az irányított energia leválasztás (DED) elvén működik. Ezenkívül a NUBURU azt állítja, hogy a kék lézeres technológia akár 10-szer gyorsabb 3D nyomtatást tesz lehetővé, mint a versenytársak, miközben nagyon nagy sűrűségű fémet is nyomtat.
kép
△ NUBURU kék lézer. Fotó a NUBURU-n keresztül.
A NUBURU, egy másik nagy teljesítményű kéklézeres technológiára összpontosító vállalat 20 millió dollárt gyűjtött össze ipari gyártósorok fejlesztésére, valamint az energiatárolás, az elektromos járművek és a 3D nyomtatás piacának fejlesztésére. A lézeres burkolat és a lézeres fémleválasztás (LMD) két olyan alkalmazás, ahol a nyersanyagot olvadáspontjára hevítik, és a felülethez tapadják. A NUBURU szerint a kéklézeres technológiájának előnyei lehetővé teszik a réz burkolatát a rozsdamentes acélra (és fordítva). Az ipari kék lézerek rétegről rétegre képesek lerakni a fémrézet. Ez az előny kiterjed a lézeres fémlerakódási additív gyártási folyamatra (LMD). Arany, réz, alumínium és más fényvisszaverő fémek esetében a kék lézer gyorsabban tud építeni, mint az infravörös lézerek tízszer gyorsabbak és jobb minőséget biztosítanak.
jegesmedve összefoglaló
A fenti kutatások igazolják, hogy a zöld lézer és a zöld lézer egyaránt használható előnyben részesített fényforrásként erősen tükröződő fémanyagok 3D nyomtatásához, a tiszta réz anyagok 3D nyomtatásával pedig jól megoldható a kapcsolódó problémák és nagyobb sűrűség érhető el. Ennek a két lézernek a költsége azonban jelenleg még mindig magas, és a zöld/kék lézerek fejlesztése és költségcsökkentése még megoldandó probléma a jövőben. Előreláthatólag, ha a lézeres 3D nyomtatási technológiát nagy léptékben lehet alkalmazni tiszta réz anyagokra, a 3D nyomtatású rézanyagok piaci mérete várhatóan tovább bővül.
