銅激光熔化：AFU克服的密度挑戰

魔猴君  科技前沿   7天前

AFU是一家專門從事機械加工的法國公司，自2014年以來一直投資金屬3D打印，以擴大其能力并生產更復雜的部件。現在配備了3臺機器，它花了兩年的時間致力于銅的參數化，特別是銅鉻鋯合金(CuCrZr)的參數化。目標是能夠在配備400W紅外激光器的標準機器上以優異的密度3D打印銅零件，同時保留其固有特性。自2024年夏季以來，它已經能夠制造層厚度為40微米的致密零件(>99.5%)，這在法國尚屬首次，因此它能夠應對這一挑戰。

AFU公司總部位于圣馬洛，多年來一直為不同行業的工業客戶實施項目提供支持。2014年，它轉向金屬增材制造，特別是激光粉末床融合(L-PBF/SLM)，以便一次性提供更復雜的定制零件甚至原型。該公司提供多種金屬，包括以其熱性能和電性能而聞名的銅。然而，這些也是粉末狀銅比鈦、鋁或鋼等其他金屬更難打印的原因。

3D打印CuCrZr電感器

增材制造中的銅

近年來，增材制造市場圍繞銅取得了眾多發展，銅是一種因其導電性、延展性、耐磨性甚至耐腐蝕性而特別受到贊賞的金屬。因此，它非常適合航空航天和電子、熱交換器或感應器的制造等應用。然而，銅并不是一種容易打印的金屬，特別是當使用使用紅外激光的機器時，就像大多數激光融合解決方案的情況一樣。

事實上，銅消耗了部分激光能量，導致功率顯著損失，從而無法實現最佳融合。使用功率為200W或400W的紅外激光器（相當于市場上的大多數金屬解決方案）時，熔化不完全，從而產生脆弱區域、孔隙率過高和電導率過低。具體來說，需要使用100%的激光功率才能獲得滿意的結果和良好的密度。然而，傳輸到材料的60%的能量會損失（由粉末耗散或在熔化過程中反射）。因此，我們知道，使用如此功率的激光器，如果沒有專門的開發，我們無法彌補損失，并且獲得的部件將是多孔的。

CuCrZr 3D打印鏤空球

如何克服這一挑戰？

第一個解決方案是使用具有更強大激光（例如1kW）的機器。它們存在于市場上，但非常昂貴，并且需要在基礎設施方面進行額外投資才能容納它們。

另一種選擇是選擇綠色激光器，它比紅外激光器具有更高的銅吸收率。因此，獲得的零件具有更好的性能并且參數設置更容易確定。然而，配備這種激光器的機器仍然很少見，價格昂貴，并且通常在打印量大小方面受到限制。

最后，一些市場參與者研究了銅本身的成分。通過在銅顆粒（例如石墨烯）上涂覆涂層，可以改善能量吸收。然而，這會改變金屬的熱性能和電性能，這對于生產所需零件來說可能存在問題。

因此，使用400W激光機克服打印銅挑戰的可能性似乎是有限的。面對這一觀察結果，AFU進行了兩年的研究，以找到在EOS M290 400W 3D打印機上使用CuCrZr合金的理想參數設置。

3D打印CuCrZr冷卻器

AFU銅版打印

在2021年投資了一臺新的金屬機器EOS M290 400W后，AFU開始使用純銅進行測試。如果生產的演示部件令人滿意，具有良好的表面光潔度和良好的尺寸精度，那么集成管道的部件則不會給出相同的結果。事實上，金相檢查顯示了上述所有局限性。注意到孔隙率太大，導致無法制造防水部件。最終可以在400W的機器上用紅外激光打印出性能良好的銅嗎？

然后，AFU開始測試1kW機器，并對由CuCp（商業純銅）40μm標準制成的多個部件進行表征。密度更好，結果令人滿意。然而，對于這家法國公司來說，投資這種解決方案的成本太高了。然后，她問自己當前機器的參數問題，并開始努力在不同參數之間找到適當的平衡。

有四個因素直接影響增材制造中銅的熔化：層厚度、激光掃描速度、激光功率和矢量之間的距離。與其他金屬（例如TA6V鈦或AlSi10Mg）相比，這四個參數之間的平衡更難找到。

隨后，AFU對所用粉末的粒徑、化學成分、激光融合時材料的行為、增材制造的粉末供應商等進行了多項研究。根據非常精確的實驗室控制要求（粉末的表觀密度和填充密度、粉末的化學成分、粉末的粒度、零件的化學成分、牽引力和電氣的控制）進行了大量的測試電導率）。由兩家不同的粉末供應商測試了兩種制造層厚度——20微米和40微米。

經過幾次打印后，AFU在其400W機器上達到了預期的結果。她解釋說：“我們能夠通過穩定且可重復的工藝生產防水部件，其冶金性能與棒材、板材、線材等中的CuCrZr相當。我們是法國唯一一家在標準機器上以40μm尺寸進行此操作的公司。例如，EOS M400 1kW上提供的CuCrZr專門采用80μm尺寸。”

編譯整理：3dnatives