純銅由于其卓越的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，在工業(yè)中被廣泛用作傳熱和電磁應(yīng)用的基礎(chǔ)金屬。
粉末床激光熔化（L-PBF）3D打印技術(shù)，能夠打印光滑的曲面和復(fù)雜的幾何形狀。然而，通過L-PBF工藝進(jìn)行純銅增材制造一般需要400W以上（通常可達(dá)1000W）的激光功率，因?yàn)樗哂懈呒t外激光純銅的反射。然而，激光光學(xué)元件可能會(huì)被高功率激光的背反射損壞。
香港中文大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在在增材制造頂刊Additive Manufacturing發(fā)表了研究論文，題為“High-precision laser powder bed fusion processing of pure copper”。在這一研究中，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種具有小激光光斑 (25 μm)、細(xì)粉(5-25 μm) 和小層厚 (10 μm)的高精度 LPBF (hp-LPBF) 系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)全致密化在相對(duì)較低的激光功率下具有高分辨率和低粗糙度的純銅元件。
經(jīng)過熱處理，電氣性能可進(jìn)一步提高到96% IACS。具有復(fù)雜蜂窩結(jié)構(gòu)的純銅部件打印壁厚為 100 μm，頂/側(cè)/底表面粗糙度 Ra 為 3.3/14.8/19.2 μm。總體而言，與傳統(tǒng) LPBF 相比，hp-LPBF增材制造工藝已證明其能夠以相同水平的相對(duì)密度和屬性打印更精細(xì)、更光滑的純銅零件。
高分辨率、低粗糙度
綜合處理能力? 3D科學(xué)谷《3D打印銅金屬白皮書》第二版
純銅是一種必不可少的材料，具有高導(dǎo)電率（國際退火銅標(biāo)準(zhǔn) [IACS] 102%）和400 W/m·K的熱導(dǎo)率，通常應(yīng)用于傳熱和電磁應(yīng)用。
具有復(fù)雜幾何形狀的銅零件在眾多行業(yè)中也發(fā)揮著關(guān)鍵作用，這是其他材料難以替代的。另一方面，近年來增材制造的發(fā)展，包括粉末床熔融（PBF）、粘結(jié)劑噴射（BJ）和定向能量沉積(DED) 使制造復(fù)雜的金屬部件成為可能，包括純銅部件和結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)加工技術(shù)相比，PBF 提供了高分辨率并提高了材料利用率。因此，銅的增材制造工藝主要集中在粉末床熔融（PBF）上。
通常， 粉末床增材制造工藝包括粉末床激光熔化 (L-PBF) 和電子束熔化 (EB-PBF)。由于電子束熔化工藝沒有光反射引起的能量損失，通過該工藝增材制造的銅部件具有高密度和良好的性能，導(dǎo)電率超過100% IACS。
但一般來說，使用電子束熔化很難實(shí)現(xiàn)高分辨率。盡管該領(lǐng)域已經(jīng)嘗試使用 15-53 μm 銅粉來實(shí)現(xiàn)低粗糙度。另一方面，粉末床激光熔化領(lǐng)域還利用粉末尺寸在 15-53 μm 或更小的范圍內(nèi)的各種層厚來探索高精度制造的可能性. 因此，使用粉末床激光熔化增材制造薄壁或光滑曲面的能力一直是研究界的極大興趣。
粉末床激光熔化工藝制造銅的挑戰(zhàn)來自其高激光反射和熱導(dǎo)率。通常，純銅塊體或粉末在大多數(shù)商用光纖激光器設(shè)備上使用的波長（1060-1080 nm）處對(duì)激光能量的吸收率較低。高激光反射率導(dǎo)致高激光功率需求。此外，銅的高電導(dǎo)率導(dǎo)致快速冷卻，與其他電導(dǎo)率低的金屬相比，這導(dǎo)致熔池狹窄。由于銅的背反射，高激光功率會(huì)在暴露 12 小時(shí)后損壞激光光學(xué)元件，這限制了進(jìn)一步增加激光功率以致密化部件的方法。
? 3D科學(xué)谷《3D打印銅金屬白皮書》
在低功率下打印高反射組件是一種有吸引力的替代方案。通過減小激光光斑、切片層厚度和粉末尺寸，同時(shí)保持激光體積能量密度，低功率激光可用于制造完全致密的部件。據(jù)報(bào)道，較小的銅粉能夠吸收更多的激光能量。因此，進(jìn)一步同時(shí)減小激光光斑尺寸、粉末尺寸和打印層厚是正確的方向。圖1。(a)薄壁的制作方法(b)，(c) 基板上所有薄壁樣品的制作結(jié)果和分類 (d)-(f) 側(cè)面，以及 (g)-(i) 頂面LOF ，分別為致密化和過度融合樣品。圖2 (a), (b) 不同參數(shù)組制作的頂/側(cè)面粗糙度Ra (c), (d) 寬度/深度與LED的關(guān)系及擬合結(jié)果。圖3 (ac) LOF 側(cè)表面的微觀結(jié)構(gòu)，(df, i)致密化，(gh) 過度融合，(j) 不同參數(shù)組的樣品分類。圖5 不同參數(shù)下熔池形態(tài)的變化，（a）-（c）功率組，（d）-（f）速度組，（g）-（i）HD組。圖 7 (a)熱處理后樣品的電導(dǎo)率，(b) 熱處理后樣品的晶粒尺寸，(c)不同側(cè)面微觀結(jié)構(gòu)的光學(xué)顯微照片，底部說明了它們對(duì)應(yīng)的晶粒尺寸。圖 8 (a) 壁厚為 100 μm 的增材制造TPMS結(jié)構(gòu) (b) TPMS 壁的橫截面微觀形貌，(c) 頂/側(cè)表面的壁厚 (d) 頂/側(cè)/底表面粗糙度 Ra。圖 9 (a) 線性/體積能量密度表示的工藝窗口(b) 不同HD的最小LED和吸收率的理論計(jì)算結(jié)果。
研究團(tuán)隊(duì)研究了由具有不同參數(shù)的單軌道打印的薄壁尺寸和粗糙度。在 160-200 W 功率和 650 mm/s 掃描速度下，可以實(shí)現(xiàn)頂面 Ra 小于 3 μm 和側(cè)面 Ra 小于 5 μm 的粗糙度。hp-LPBF在激光功率為200 W、掃描速度為600 mm/s、HD為0.05 mm的條件下實(shí)現(xiàn)了RD為99.6%、頂/側(cè)表面粗糙度Ra為4.2/7.8 μm的批量打印。
hp-LPBF 工藝中的 0.05 mm HD 已被證明是最佳參數(shù)，并且通過理論計(jì)算解釋了導(dǎo)致 LOF 現(xiàn)象的低 HD 和高 HD，這證明了 HD 對(duì)能量吸收的影響。對(duì)1~12 h和500~1000 ℃的熱處理參數(shù)進(jìn)行了測試，通過1000 ℃ 12 h的熱處理可以達(dá)到96% IACS和101.5 μm純銅晶粒尺寸的最佳條件。
hp-LPBF 的最小頂壁厚度為 100 μm，用于打印復(fù)雜的純銅部件。最小側(cè)壁厚度為 149 μm，頂/側(cè)/底表面粗糙度顯示 Ra 為 3.3/14.8/19.2 μm。與打印純銅的其他增材制造技術(shù)相比，hp-LPBF 具有高分辨率和低粗糙度的綜合處理能力。
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S22148604
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