一文看懂粉末床激光铜增材制造的潜力、挑战及可行性方案-金属3D打印工厂

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一文看懂粉末床激光铜增材制造的潜力、挑战及可行性方案

| 3DScienceValley · 2022/01/26

高导电性和导热性使铜成为生产要求具有高传热能力的零部件的最佳材料。比较典型的应用如制造管壳式热交换器,铜材料的效率通过设计得到加强,具有高传热系数和高湍流。然而高性能设计通常需要许多制造工艺才能实现,铜热交换器的理论效率将被降低。

通过增材制造实现的一体化制造,可以有效解决这类问题。但是铜增材制造仍然极具挑战性。在本期谷.透视中,3D科学谷将对主流金属增材制造技术之一,粉末床选区激光熔化工艺(LPBF)存在的挑战及可行性方案的探索情况进行概述。

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LPBF 铜增材制造挑战及可行性方案探索

© 3D科学谷

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 铜的应用价值

铜 (Cu) 作为一种韧性金属,具有良好的耐腐蚀性、低化学反应性、非凡的机械加工性和成型性以及高导电 (60 × 106 S/m,相当于100% 国际退火铜标准 (IACS) ) 和热导率 (400 W/mK)。

由于这些独特的特性,纯铜在生产用于电子、散热器、增压空气冷却器和热交换器等多种应用的设备以及电子封装、汽车和建筑行业等各种工业领域的设备方面受到了广泛关注。此外,铜经常用作不同合金材料的基材,例如黄铜和青铜,其中分别将锌和锡合金化。

材料性能效率通常通过特定的零部件设计来提高。铜的典型制造工艺,例如粉末冶金 (PM) 和传统工艺(例如锻造、机加工、挤压和铸造),可以生产简单的几何形状。但是难以生产复杂部件或翅片式热交换器和散热器,或者在制造时需要焊接等其他工艺来实现。

相对而言,增材制造工艺对于这种情况而言就更具优势。因为增材制造能够实现大量薄翅片或具有特定几何形状的复杂流道,这些几何形状增加了交换面积和湍流 。此外,增材制造的整体式热交换器和散热器将更好地抵抗液体压力和泄漏。这些可行性为制造性能紧凑型铜热交换设备创造了条件。

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《铜金属3D打印白皮书》© 3D科学谷

不过,即使是在优势明显的情况下,纯铜和铜金属的增材制造应用仍存在一些挑战,包括以下几点:

  • 由于铜及其合金的高电导率和热导率增加了从熔池到周围区域的热传递率,并产生高热梯度和不利后果。
  • 对于激光增材制造来说,高激光反射率是另一个最重要的问题。
  • 快速传热和高反射率都阻碍了激光功率的吸收,导致高孔隙率和较差的机械、热和电性能。此外,铜的延展性会对粉末去除和回收后产生负面影响 ,可能是因为在此阶段构建的铜片很容易变形。
  • 铜对氧化的高敏感性使粉末处理变得复杂。

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 LPBF 铜增材制造

LPBF工艺是加工金属部件最常用的增材制造技术,因为它可以生产极薄和复杂的细节。然而,适用于 LPBF 工艺的金属材料必须满足三个基本要求:低热导率, 高激光吸收,以及含有高沸点元素 。这些材料特性确保了稳定的熔池,使得材料易于加工。

正是因为如此,铜金属成为了一种难以用LPBF加工的材料。铜的高导热性促进了从熔池区域到周围的快速热传递,导致局部热梯度增加。因此,层卷曲和分层是常见的缺陷。然而,铜增材制造可加工性的最大挑战与它的激光吸收有关。

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铜的激光吸收与 (a) 波长、(b) 温度的函数关系。

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LPBF 3D打印纯铜零件的常见缺陷:(a)球化效应和(b)由于熔池和凝固层之间的润湿行为不足导致的微球化效应;(c) 当大熔池不能彻底润湿底层时边缘升高,这种效果叠加在几个打印层上,看起来像一个凸起的边缘;(d) 打印层的分层,通常由热梯度引起 ;(e) 因暴露于激光背反射 12 小时而导致光学振镜损坏的示例。

那么,怎样克服LPBF 工艺铜增材制造的挑战呢?接下来,我们从设备及工艺方案和材料方案两个角度进行了解。

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 设备及工艺方案

根据3D科学谷的市场研究,通过实验设计优化工艺参数是常见的方式。LPBF增材制造工艺优化中最常用的工艺参数是激光功率 (P)、扫描速度 (υ)、层厚 (s) 和扫描间距 (h) 。

例如,有的研究团队采用连续光纤激光器,波长为1070 nm,最大功率为400 W,光束直径为70 μm。采用最佳工艺参数(扫描速度400 mm/s,扫描间距0.12 mm,层厚0.03 mm),得到的相对密度可达95%。铜被打印在不锈钢基板上,表面粗糙度平均值等于18μm。

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3D打印复杂结构铜散热器:柱状、螺旋状和弯管状。

上图显示了模拟散热器的结构。3D打印铜散热器与商用柱状散热器和块状铜对应物之间的比较表明,3D打印部件的热导率 (368 W/mK) 和电导率 (5.71 S/m) 和硬度值 (108 MPa) 更高。

在优化工艺参数的方式中,使用更高的激光功率进行铜增材制造是常见方式。增加激光功率输入对铜密度产生积极影响,从而对其性能产生积极影响。例如有的研究团队探索了使用最大功率为 500 W、光束直径为 37.5 μm 的红外光纤激光器铜增材制造工艺参数,得到的相对密度为99.3%。工艺参数的优化包括等于 0.03 毫米的固定层厚度和0.09 毫米的扫描间距。

根据3D科学谷的市场研究,另一个克服粉末床激光铜增材制造挑战的思路是调整激光波长。较大的波长会降低激光吸收率,而随着较短的激光波长而增加。波长约为 520 nm 的绿色和蓝色激光将激光吸收率提高到 40%

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在主要研究中,铜相对密度随激光输入功率所产生的变化(左);纯铜吸收率随波长的变化(右)。

出于这个原因,较短波长的激光器被认为是生产全致密铜元件的可靠解决方案。

根据3D科学谷的市场观察,这一思路已被工业级3D打印设备制造商所采用。例如,德国通快集团在TruPrint 1000 绿光版3D打印设备中配备了波长为515纳米的绿光激光器,该设备可采用指定铜含量大于 99.9% 的高导电纯铜ETP(EN CW004A)。铂力特针对纯铜增材制造,提供搭载绿激光配置的金属增材制造定制设备。这种短波长激光的应用将提升铜零件成形的成功率及致密度,同时降低能量损失和对设备损坏的可能性。

此外,打印平台/基板在保持均匀的粉末床温度和工艺稳定性方面发挥了关键作用。因此为铜增材制造选择合适的基板也是其中一种应对挑战的探索方式。

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在 (a) 铝制平台(b) 钢制基板上生产的 LPBF 3D打印铜样品。

例如,有研究团队用相同工艺参数,分别在铝制基板和钢制基板上进行铜增材制造,他们使用的参数为:激光功率为 190 W,激光扫描速度为 500 mm/s。结果表明,由于高导热性,铝制基板将热量从样品迅速散发到致密平台。因此,平台与试件之间的附着力较差,铜样品底部发生翘曲和变形。这种不良的附着力也导致了熔池不稳定和不均匀。温度分布并导致形成引起变形的热应力。另一方面,钢基板促进了具有外翘和变形的冶金结合的形成,从而提高了工艺稳定性。

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 材料方案

提高 LPBF 工艺铜加工性能的另一个可行性方案的探索方向是改变原材料。

原材料改性是其中一种途径。例如有的研究团队将0.1 wt% 的碳纳米颗粒与铜粉混合。使用碳等元素来增强激光吸收率,而不会降低热性能和电性能,碳还降低了热膨胀系数,可能有助于提高打印部件的尺寸精度。结果表明,在 LPBF 过程中,光吸收率提高(精确地从 29% 到 67%)、流动性和原位脱氧,制造的样品显示出98%的相对密度。然而,碳纳米颗粒和其他杂质沿晶界分离,铜部件的机械性能和导电性可能会劣化。建议的解决方案是使用无磷铜粉和一些碳吸收元素,例如铬或钛。

还有一种方式是通过在颗粒上创造一层锡和镍涂层,来提升铜材料的激光吸收率。与成分相似的原位合金粉末相比,3D打印样品的孔隙率较低。

在铜粉中添加少量合金元素也是其中一种途径。然而,即使是少量的第二元素也可能大大降低铜的导热性和导电性。这个想法是添加一种或多种导热率较低的元素。在这些元素中,铬是最常用的元素之一,因为它提高了铜的机械强度。铬的存在提高了可加工性,并允许获得具有提高的拉伸强度的高密度组件。例如,有的研究成功实现了具有高强度和高导电性的 Cu-Cr LPBF工艺3D 打印组件。当使用一组优化的参数(激光功率为 2000 W,扫描速度为 600 mm/s,扫描间距为 0.2 mm,层厚为 0.05 mm)进行处理时,样品的最终密度为 99.98%。成型后对零件进行热处理,使Cr颗粒从Cu基体中析出,大大提高了UTS(468 MPa)、YS(377 MPa)和电导率,达到98.31% IACS。

根据3D科学谷的市场观察,通过材料来实现纯铜粉末床激光熔化增材制造的技术已进入到商业化阶段。例如,德怡科技(Infinite Flex )近日将其可用于标准红外激光 LPBF 3D打印设备的纯铜粉末材料 Cu 01 推出市场。

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3D打印纯铜热交换器样件

© 德怡科技

对3D打印零件进行直接时效硬化 (DAH),也是提升铜LPBF增材制造可行性的方式。这种热处理的应用产生了细小的 Cr 析出物,增加了硬度和 UTS(从 287 到 466 MPa),而延展性略有下降。有的研究团队,增材制造了密度接近 97.9% 的 Cu-Cr-Zr-Ti 铜合金样件,并对样件进行固溶退火和时效处理,导致了细长晶粒扩大。这些热处理通常用于提高强度。固溶退火用于使合金元素固溶在铜基体中,而随后的时效处理旨在形成进一步强化的析出物。

铜金属3D打印增材制造工艺呈现出多样化发展。除了本期介绍的LPBF 工艺之外,粉末床电子束熔化、粘结剂喷射、材料挤出等几种增材制造工艺也在铜金属增材制造领域得到了发展。3D科学谷将在后续发布的谷.前沿文章中,透视这些技术在铜增材制造中的挑战及可行性方案。

✅大唐盛世是一站式金属3D打印服务平台,长年专注于金属3D打印的设计、定制加工、小批量生产及后工序处理,拥有多年精密零件金属3D打印成型经验,旗下的大型金属3D打印生产基地位于东莞大朗镇光辉高新产业园,上万平米的打印生产制造车间,50多台高精度金属3D打印设备,CNC加工中心、4轴加工中心、5轴加工中心、三轴加工中心、铣床、数控车床、三坐标、精雕机、电火花机、钻攻机等配套设备上百台,擅长小公差、复杂结构原型、高精密度的金属零件小批量生产。为新老用户提供钛合金3D打印、铝合金3D打印、不锈钢3D打印、模具钢3D打印等近百种金属3D打印加工服务及综合解决方案。通过我们3D打印加工的产品被广泛应用于机械、医疗、通讯、电子、电器、汽车、航空航天等各行各业。公司自成立以来始终坚持:为客户提供满意的产品和服务的基本质量方针,严格执行ISO9001质量管理体系,加强6S质量体系的内部实施,并且通过全体员工的共同努力,让每一位客户对我们的服务及产品质量都表示满意。金属3D打印定制就到大唐盛世!

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