绿激光促进铜基金属材料3D打印新发展(2)
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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