香港中文大学《AM》：高精度激光粉末增材制造纯铜！

导读：纯铜由于其*的导电性和导热性，在工业中被广泛用作传热和电磁应用的基础金属。激光粉末床融合（LPBF）由于其高分辨率和粉末床支持，能够打印光滑的曲面和复杂的几何形状。然而，LPBF制造纯铜一般需要400W以上（通常可达1000W）的激光功率，因为它具有高红外激光纯铜的反射。因此，激光光学元件可能会被高功率激光的背反射损坏。本文开发了一种具有小激光光斑(25μm)、细粉(5-25μm)和小层厚(10μm)的高精度LPBF(hp-LPBF)系统，可以实现全致密化在相对较低的激光功率下具有高分辨率和低粗糙度的纯铜元件。经过热处理，电气性能可进一步提高到96%IACS。具有复杂蜂窝结构的纯铜部件打印壁厚为100μm，顶/侧/底表面粗糙度Ra为3.3/14.8/19.2μm。总体而言，与传统LPBF相比，hp-LPBF已证明其能够以相同水平的相对密度和属性打印更精细、更光滑的纯铜零件。

纯铜是一种必不可少的材料，具有高导电率（国际退火铜标准[IACS]102%）和400W/m·K的热导率，通常应用于传热和电磁应用。具有复杂几何形状的铜零件在众多行业中也发挥着关键作用，这是其他材料难以替代的。另一方面，近年来增材制造的发展，包括粉末床融合（PBF）、粘合剂喷射（BJ）和定向能量沉积(DED)使制造复杂的金属部件成为可能，包括纯铜部件和结构。与传统加工技术相比，PBF提供了高分辨率并提高了材料利用率。因此，铜的增材制造工艺主要集中在粉末床熔融（PBF）上。

通常，铜上的PBF包括激光粉末床熔化(LPBF)和电子束粉末床熔化(EB-PBF)。由于EB-PBF没有光反射引起的能量损失，EB-PBF印刷的铜部件具有高密度和良好的性能，导电率超过100%IACS。一般来说，使用EB-PBF很难实现高分辨率。尽管已经尝试使用15-53μm铜粉来实现低粗糙度。另一方面，LPBF还利用粉末尺寸在15-53μm或更小的范围内的各种层厚来探索高精度制造的可能性.因此，使用PBF制造薄壁或光滑曲面的能力一直是研究界的极大兴趣。

LPBF制造铜的挑战来自其高激光反射和热导率。通常，纯铜块体或粉末在大多数商用光纤激光器设备上使用的波长（1060-1080nm）处对激光能量的吸收率较低。高激光反射率导致高激光功率需求。此外，铜的高电导率导致快速冷却，与其他电导率低的金属相比，这导致熔池狭窄。由于铜的背反射，高激光功率会在暴露12小时后损坏激光光学元件，这限制了进一步增加激光功率以致密化部件的方法。

铜制造过程中高功率激光的反射可能会损坏光学镜。在低功率下打印高反射组件是一种有吸引力的替代方案。通过减小激光光斑、切片层厚度和粉末尺寸，同时保持激光体积能量密度，低功率激光可用于制造完全致密的部件。据报道，较小的铜粉吸收更多的激光能量。因此，进一步同时减小激光光斑尺寸、粉末尺寸和层厚是正确的方向。

在此，香港中文大学研究团队采用了hp-LPBF机器，结合了细束斑(25μm)、细粉末尺寸(5–25μm)和小层厚度(10μm)。使用薄壁和立方体来获得*佳参数，并测量RD、表面粗糙度和电性能以研究参数的不同影响。观察侧面和熔池形态以揭示工艺参数对潜在机制的影响。采用热处理以进一步提高电导率。*后，打印复杂的薄壁晶格样品以展示hp-LPBF的制造能力。相关研究成果以题“High-precisionlaserpowderbedfusionprocessingofpurecopper”发表在增材制造顶刊AdditiveManufacturing上。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/sc...i/S2214860421005704

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