在《工藝綜述：近十種鋁合金3D打印工藝匯總，闡述技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用方向》一文中，3D打印技術(shù)參考提到采用激光能量沉積鋁合金多有不便，這是因?yàn)殇X合金高導(dǎo)熱、高反射且易氧化，還有一個(gè)重要原因在于當(dāng)前使用的主要光源為紅外激光（1064nm波段）。近日，筆者發(fā)現(xiàn)上海交大的研究人員發(fā)表了一篇名為《Blue laser directed energy deposition of aluminum with synchronously enhanced efficiency and quality》的文章，意味著該校正在開展使用藍(lán)色激光3D打印鋁合金的研究。
當(dāng)前激光沉積技術(shù)所使用的紅外激光在沉積鋼、鎳、鈦合金等材料時(shí)具有較高的效率，但對(duì)于鋁、銅的沉積則面臨成形性差和強(qiáng)度低的挑戰(zhàn)。除了眾所周知的高反射特性，熔池中晶粒的特性也受到溫度梯度和凝固生長速率的影響。具有高斯分布的紅外激光下的高溫梯度會(huì)導(dǎo)致柱狀晶粒生長，這對(duì)組件的性能不利。此外，由于在低激光功率下有限的熔合及高激光功率下熔池的劇烈波動(dòng)，低能量轉(zhuǎn)換效率會(huì)導(dǎo)致孔隙的形成，從而降低鋁等高反射金屬的可成形性。
對(duì)于高反射金屬的3D打印，一方面可以通過添加光熱吸收成分，還可以尋找更合適的光源，而后者在近年來不斷受到關(guān)注。事實(shí)上，2022年美國3D打印機(jī)制造商Essentium與工業(yè)激光器專家NUBURU宣布正在開發(fā)一種基于藍(lán)色激光的新型金屬3D打印機(jī)，其采用送絲形式，實(shí)現(xiàn)定向能量沉積3D打印。
NUBURU藍(lán)色激光
作為一種新型激光源，藍(lán)色激光結(jié)構(gòu)緊湊且使用壽命長。對(duì)于傳統(tǒng)的高反射率金屬，藍(lán)色激光的吸收率高于紅外區(qū)域的吸收率。2017年，大阪大學(xué)研究人員開發(fā)了一種250W高功率藍(lán)色激光器（445nm），并顯著提高了激光在鋼焊接中的吸收率；2020年，華威大學(xué)研究人員使用NUBURU生產(chǎn)的500W二極管藍(lán)色激光器焊接AISI和316L不銹鋼，發(fā)現(xiàn)藍(lán)色激光焊接可以減少焊接區(qū)域的不連續(xù)性，并具有優(yōu)異的機(jī)械性能。除此之外，還有研究人員開發(fā)了高功率藍(lán)色激光用于銅焊接的研究。
鋁合金和復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用于工業(yè)，迫切需要通過定向能量沉積工藝制造的高質(zhì)量零件。上海交大的研究人員首先應(yīng)用納米TiB2包覆AlSi2Mg形成復(fù)合材料，然后采用10kW的大功率藍(lán)光沉積設(shè)備用于實(shí)驗(yàn)。
3D打印技術(shù)參考關(guān)注了其所使用的設(shè)備，為LDM 4030，經(jīng)查詢是由中科煜宸開發(fā)，光源確實(shí)有光纖/藍(lán)光的模式可供選擇。上海交大的研究人員通過實(shí)驗(yàn)和模擬對(duì)AlSi10Mg/TiB2復(fù)合材料在紅外和藍(lán)光激光下的成形性能進(jìn)行了定量分析。
LDM 4030（來自中科煜宸）
LDM 4030設(shè)備參數(shù)（來自中科煜宸）
藍(lán)色和紅外激光下單軌的加工參數(shù)
不同激光熔化參數(shù)下熔池的激光源模型和實(shí)驗(yàn)橫向截面：（a）高斯紅外激光束，以及P=900W和v = （b）4 mm/s、（c）6 mm/s和（d）10mm/s的紅外激光產(chǎn)生的熔池的能量密度;（e） 平頂藍(lán)色激光束，以及藍(lán)色激光在P = 900W和v = （f） 4mm/s、（g） 6mm/s和（h）10mm/s時(shí)產(chǎn)生的熔池
結(jié)果表明，藍(lán)色激光在AlSi10Mg/TiB2復(fù)合材料的可打印性方面優(yōu)于紅外激光器。
美國在推動(dòng)采用藍(lán)光金屬3D打印方面實(shí)際上動(dòng)作不斷，除上述提到的開發(fā)激光沉積裝備之外，美國空軍在2022年通過“小企業(yè)創(chuàng)新研究”（SBIR）計(jì)劃授予了NUBURU第二階段合同，用來開發(fā)基于藍(lán)色激光的區(qū)域3D打印技術(shù)。
美國空軍希望NUBURU能夠開發(fā)出一種新的基于藍(lán)光技術(shù)、能獲得高金屬密度、微米級(jí)分辨率、零后處理，同時(shí)將構(gòu)建速度提升100倍的新金屬3D打印解決方案。具體可查詢3D打印技術(shù)參考的往期文章。
總的來說，藍(lán)色激光對(duì)金屬3D打印具有特殊的意義，但受限于激光技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)在該領(lǐng)域還未有太多報(bào)道。同時(shí)，基于藍(lán)光的金屬3D打印，也成為了技術(shù)細(xì)分發(fā)展的重要方向之一，它將特別適合于一些特殊產(chǎn)品的制造。
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