Grynas varis dėl didelio šilumos ir elektros laidumo yra plačiai naudojama elektronikos ir elektros energijos gamybos medžiaga. Atitinkamos programos dažnai apima sudėtingas geometrijas kartu su visiškai tankiomis medžiagomis, kad padidintų elektros laidumą. Tokioms reikmėms naujoms konstrukcijoms pakanka priedų gamybos (AM).
Tiksliau, Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) technologijos siūlomas didelis tikslumas ir erdvinė skiriamoji geba yra ypač tinkama sukurti labai sudėtingas formas ir sumažinti medžiagų švaistymą procese. Tačiau dėl didelio vario miltelių atspindžio ir didelio šilumos laidumo lazerio infraraudonųjų spindulių lazerio spinduliuote vis dar yra tikra techninė problema gaminti mažo poringumo gryno vario medžiagas tradiciniu L-PBF metodu.
Vario miltelių miltelių savybės
Varis turi puikų šilumos laidumą, elektrinį laidumą, gerą atsparumą korozijai ir lankstumą, o metalinėje sistemoje varis turi platų šaltinių pasirinkimą ir mažą kainą, todėl gali būti plačiai naudojamas daugelyje sričių, pavyzdžiui, elektros ir šiluminės medžiagos, biomedicina, ir tt . Varis turi didelį atspindžio koeficientą lazerio šviesai: lazerių, kurių bangos ilgis didesnis nei 1060 nm, atspindžio koeficientas yra didesnis nei 90 proc., o lazerių, kurių bangos ilgis yra 515 nm, absorbcijos koeficientas yra didesnis nei 60 proc. Šiuo atveju šios vario savybės kelia iššūkių apdorojant priedų gamybos technologiją. Varis turi santykinai aukštą šilumos laidumą. Formavimo proceso metu šiluma greitai persikelia į lydymosi sritį, todėl dėl didesnių vietinių šiluminių gradientų gali lengvai atsirasti proceso defektų, tokių kaip sluoksnio susilinkimas, delaminacija ir dalinis dalies gedimas. Be to, dėl didelio vario lankstumo bus sunku pašalinti ir perdirbti miltelių likučius iš suformuotų dalių. Be to, vario milteliai turi didelį paviršiaus aktyvumą ir lengvai oksiduojasi. Vario milteliai reikalauja specialaus tvarkymo ir saugojimo.
Dėl didelio vario šilumos laidumo ir didelio lazerio šviesos atspindžio apribojimų sunku kontroliuoti vario miltelių priedų gamybos technologijos formavimo procesą, o formavimo procesas yra sudėtingas. Šiuo metu 3D spausdinimo vario tyrimai ir taikymas atsilieka nuo kai kurių kitų įprastų metalinių medžiagų. Varis, kaip tipinė struktūrinė ir funkcinė integravimo medžiaga, turi daugybę priedų gamybos poreikių ir yra 3D spausdinimo pramonės tyrimų taškas.
Tradicinio lazerinio miltelių sluoksnio lydymosi vario formavimo techniniai sunkumai
Lazerinio selektyvaus lydymo technologijos šilumos šaltinis yra lazerio spindulys. Dėl didelio vario atspindžio į lazerį formavimo proceso metu didžioji lazerio energijos dalis atsispindi atgal į optinę sistemą, o vario milteliai sugeria tik nedidelę energijos dalį. Xi uoliena yra visiškai išsilydžiusi, o dalyse gali atsirasti defektų, tokių kaip poros ir įtrūkimai, o tai apsunkina lazeriu tirpstančio vario formavimąsi. Šiuo metu lazerinio selektyvaus vario lydymo ir formavimo tyrimų srityje susiję tyrimai daugiausia skirti dalių tankio gerinimui.
Ankstyvuosius tyrimus ribojo techninė įranga, pvz., lazerinė įranga. Formuojant lazeriu buvo sunku visiškai ištirpdyti vario miltelius, sunku buvo paruošti tankias dalis. Nuolat tobulėjant lazerinėms technologijoms, lazerinės įrangos našumas buvo nuolat tobulinamas, o didelę galią galima naudoti norint padidinti dalių tankį. Tačiau į optinę sistemą grąžintas lazeris sugadins optinius komponentus, o tada kai kurie mokslininkai pasiūlė, kad tokie metodai kaip vario miltelių paviršiaus modifikavimas ir lazerio bangos ilgio sumažinimas gali pagerinti didelį vario atspindį. Ankstyvojoje lazerinio selektyvaus lydymo formavimo įrangoje buvo naudojami mažos galios, prasto stabilumo ir silpnos spinduliuotės lazeriai, todėl buvo sunku pasiekti visišką vario miltelių išlydymą. Į vario miltelius kaip rišiklį galima dėti tik lydinio miltelius su žema lydymosi temperatūra arba dideliu lazerio sugerties greičiu. Lazerinio skenavimo metu rišiklis išsilydo ir susidaro skysta fazė, kuri užpildo poras tarp vario miltelių dalelių ir sukietėja, kad būtų pasiektas sukepinimas. Dalių paruošimas. Šis metodas vadinamas „netiesioginiu sukepinimo metodu“. Nors tokiu būdu galima pasiekti pilną visos dalies atspausdinimą, kai kurie susiję tyrinėtojai nustatė, kad gautos dalys yra mažiau tankios.
Akademinėje bendruomenėje Gu Dongdong iš Nankino aeronautikos ir astronautikos universiteto naudojo CO2 lazerį, kurio didžiausia išėjimo galia 1 kW, iš anksto legiruotus CuSn miltelius kaip rišiklį ir varį kaip deoksidatorių, kad sukepintų Cu ir CuSn ir vario miltelius, kad paruoštų tankų mišinį. 82 procentai vario dalių. Tang Y ir kt. kaip rišiklį panaudojo 200 W lazerį, sukepinantį Cu plius Cu3P miltelius su iš anksto legiruoto metalo milteliais Cu3P, ir galiausiai paruošė detalę, kurios tankis 76 proc. Be to, vietiniai gamintojai, tokie kaip Shenghua 3D, taip pat tyrinėjo netiesioginį 3D spausdinimą ir vario medžiagų formavimą bei padarė laimėjimų.
Apibendrinant galima pastebėti, kad ankstyvuosius susijusius tyrimus vis dar riboja lazerio galios ir spindulio kokybės įtaka, todėl paruoštų detalių tankis yra mažas, o formavimo kokybė prasta. Tam reikia naudoti didesnės galios ir geresnės kokybės lazerius, kad būtų įveikti vario lazerio šviesos sugerties greičio sunkumai ir sudarytos stabilios formavimo sąlygos, kad būtų pagerinta lazeriu selektyvaus lydymo ir formavimo vario dalių kokybė ir veikimas.
Nuolat tobulėjant lazerių technologijoms, lazerių stabilumas ir pluošto kokybė taip pat buvo nuolat gerinami, taip pat buvo pradėta naudoti kai kurios lazerinės įrangos, pasižyminčios aukšta spindulio kokybe, dideliu stabilumu ir didele galia. Kai kurie mokslininkai eksperimentavo su tokio tipo įranga ir nustatė, kad dalių tankis labai pagerėjo. Lykovas PA ir kt. naudojo Pro DM125 įrangą gryno vario mėginiams su skirtingais proceso parametrais paruošti. Esant lazerio galiai 200 W, skenavimo greitis 100 mm/s, atstumas tarp linijų 0,12 mm ir sluoksnio storis 0,05 mm, gryno vario mėginiai, kurių tankis Gauta 88,1 proc. Vario pavyzdžiai. Ikeshoji TT ir kt. panaudota 1KW didelės galios vienmodė skaidulinio lazerio SLM įranga, esant 800 W lazerio galiai ir 300 mm/s skenavimo greičiui, gautas gryno vario mėginys, kurio tankis 96,6 proc., ir ištirtas nuskaitymo atstumo poveikis. formuojant Pagal ruošinio kokybės įtaką nustatyta, kad kai skenavimo atstumas yra apie 0,1 mm, gauto mėginio tankis yra didžiausias. Colopi M ir kt. naudojo tą pačią lazerinę SLM įrangą gryno vario mėginiams, kurių tankis didesnis nei 97 proc., paruošti. Jadhav SD ir kt. naudojo didelės galios šviesolaidinę lazerinę įrangą, kad gautų mėginį, kurio tankis yra iki 98 proc., kai proceso sąlygos yra 740-1120J/mm3 energijos tankis.
Nors suformuotas dalis galima sutankinti padidinus lazerio galią ir optimizuojant formavimo procesą, lazeris, atsispindėjęs atgal į optinę sistemą, sunaikins optinę dangą ir dar labiau sugadins lazerį. Todėl pasikliauti vien lazerio spindulio kokybės gerinimu ir lazerio galios didinimu nėra efektyvus ir įmanomas sprendimas. Tik vario atspindžio sumažinimas iki lazerio galios yra veiksmingas būdas išspręsti šią problemą. Kadangi vario lazerio sugerties greitis yra didesnis nei 60 procentų, kai bangos ilgis mažesnis nei 515 nm. Todėl lazerio bangos ilgio sumažinimas ir vario absorbcijos greičio padidinimas lazeriu yra raktas į atrankinį vario formavimą lazeriu.
žalias lazeris
Siekdamos išspręsti didelio vario lazerio šviesos atspindžio problemą, kai kurios užsienio mokslinių tyrimų institucijos pradėjo naudoti naujai sukurtus didelės galios lazerinius šaltinius, veikiančius matomų bangų ilgių diapazone, ir bandė naudoti lazerinę įrangą, kurios bangos ilgis yra 515 nm (žaliasis lazeris). ) eksperimentams. Patobulinta lazerio ir vario energijos jungtis.
2017 m. Vokietijos Fraunhoferio lazerinių technologijų instituto mokslininkai ėmėsi iniciatyvos tirti žaliąjį gryno vario lazerinį spausdinimą. Jie sukūrė žalio lazerio selektyvaus lazerinio lydymo (SLM) sistemą grynam variui ar vario lydiniams. 3D spausdinimas, technologija pavadinta „Green SLM“.
2022 m. lapkritį „Trumpf“ (TRUMP) Frankfurto tarptautinėje „Formnext“ parodoje pademonstravo naujausią 3D spausdintuvą „TruPrint 5000“ ir žaliąją lazerio technologiją. 2021 m. TRUMP pristatė savo 3 kW didelės galios nuolatinį žaliąjį diskinį lazerį. Pranešama, kad vidutinė šio gaminio išėjimo galia siekia net 3 kilovatus, o tai yra didžiausia galia dabartinėje žaliųjų lazerių serijoje ir yra labai tinkama suvirinti stipriai atspindinčias medžiagas, tokias kaip varis ir aliuminis, ypač ličio. baterijų pramonė, atstovaujama naujų energetinių transporto priemonių akumuliatorių. , Trumpf žalias lazeris (1000-3000W) gali pasiekti iki 120 vario folijos suvirinimo sluoksnių, beveik nėra purslų, o įsiskverbimo gylis yra tikslus ir valdomas. Be to, didelės galios žalia šviesa taip pat turi išskirtinių pranašumų taikant priedų gamybos gryno vario medžiagas - 3D spausdinimą.
2018 m. „Shimadzu Corporation“ (Japonija) komercializavo savo mėlynojo poveikio diodinį lazerį BLUE IMPACT, kuris gali pagaminti 100 vatų galios esant dideliam ryškumui. Šį produktą sukūrė Shimadzu Corporation, bendradarbiaudama su Osakos universitetu Japonijoje, kaip nacionalinio projekto Japonijoje dalį. BLUE IMPACT lazeris sujungia daugybę galio nitrido (GaN) mėlynųjų lazerinių diodų iš Nichia Chemical Corporation (Japonija), padvigubina efektyvumą nuo 2006 m. ir padidina išėjimo galią. Pagrindinė Shimadzu 450 nm mėlynojo diodo lazerio taikymas yra varinių medžiagų 3D spausdinimas.
Minėtas žalias lazeris buvo aptiktas 1960–1980 m. Tuo metu žmonės naudojo įvairias netiesines kristalines medžiagas, kad atliktų ertmės dažnį dvigubinančius Nd:YAG lazerius, kad gautų žalios šviesos šaltinius. Dešimtajame dešimtmetyje didelio galingumo ir didelio pasikartojimo dažnio kietojo kūno žalieji lazeriai, kurių privalumai yra ilgas tarnavimo laikas, didelis patikimumas, mažas dydis ir didelis efektyvumas, pasiekė precedento neturintį vystymąsi. Pagerėjus vietinių puslaidininkinių lazerių kokybei ir sumažėjus užsienio puslaidininkinių lazerių kainoms, vietinių kietojo kūno didelės galios žaliųjų lazerių tyrimai taip pat padarė didelę pažangą.
Įrodyta, kad žaliųjų lazerių naudojimas suvirinant geriau derinamas su variu. Tiesą sakant, žalius bangos ilgius (λ=532 arba 515 nm) grynas varis lengviau sugeria ne tik kietame, bet ir skystame. Tikimasi, kad atitinkami absorbcijos rodikliai bus nuo 40 iki 60 procentų kietoje būsenoje ir nuo 25 procentų iki 50 procentų skystoje būsenoje. Remiantis Vokietijos fotonų technologijos instituto pateiktais tyrimų rezultatais, kai varis yra kietos būsenos kambario temperatūroje 20 laipsnių temperatūroje, žalios šviesos juostos sugerties greitis yra apie 40 procentų; Vietoj to, jis sumažėjo maždaug 5 procentais. Tai reiškia, kad ištirpus variui, žalios šviesos sugertis šiek tiek sumažėja. Ši funkcija padeda pasiekti stabilią mažą skylę ir beveik nulinį purslų kiekį apdirbant varį. Tai akivaizdus žaliojo lazerio pranašumas, palyginti su infraraudonųjų spindulių lazeriu. Todėl pagrindinis dabartinio mokslinio darbo tikslas yra skatinti platų žaliųjų lazerių naudojimą ant L-PBF vario.
mėlynas lazeris
Antras galimas būdas pagerinti lazerio ir vario energijos jungtį yra naudoti mėlyną lazerio šaltinį, todėl didelės galios mėlynojo diodo lazeriai, kurių bangos ilgis yra 450 nm, taip pat yra stiprūs kandidatai lazeriniam 3D spausdinimui iš vario.
Tyrinėdami gryną varį ir Cu{0}}Sn lydinį, Hummel ir kt. nurodė, kad vario sugerties greitis mėlynoje lazerio šviesoje yra net didesnis nei 515–530 nm, o sugerties greitis laidžioje suvirinimo būsenoje siekia net 80 proc., o esant 515 nm – 60 proc. Tačiau, nors jau kuriamos didesnės galios, esamų mėlynų lazerinių diodų ryškumas ir fokusuoto pluošto skersmuo vis dar yra ribotas, o tai riboja jų galimą pritaikymą L-PBF, nes tam reikalingas didesnis didesnis nuskaitymo greitis suvirinant lazeriu.
paveikslėlį
△ Varis, auksas, aliuminis ir kitos medžiagos geriau sugeria mėlyną lazerio šviesą nei kitų bangos ilgių lazerio šviesa. Vaizdas per NUBURU/NASA 1969
2022 m. gegužės mėn. Antarkties lokys sužinojo, kad Essentium, originalios įrangos gamintojas, gaminantis didelės spartos ekstruzijos (HSE) 3D spausdinimo technologiją, ir NUBURU, pramoninių lazerių specialistas, kartu sukūrė naują mėlyną lazerinį metalinį 3D spausdintuvą, kuris gali išspręsti problemas. tradicinio metalo 3D spausdinimo vario/aukso/aliuminio/nerūdijančio plieno ir kitų metalų procese lengvo atspindžio ir sudėtingo formavimo skausmo taškai. Pranešama, kad naujoji lazerinio metalo 3D spausdinimo mašina integruos NUBURU patentuotą mėlynojo lazerio technologiją ir galės apdoroti medžiagas vielos padavimo būdu, todėl galime daryti išvadą, kad ji veikia nukreiptos energijos nusodinimo (DED) principu. Be to, NUBURU teigia, kad mėlynojo lazerio technologija gali įgalinti 3D spausdinimą iki 10 kartų greičiau nei konkurentai, o taip pat spausdinti metalą esant labai dideliam tankiui.
paveikslėlį
△ NUBURU mėlynas lazeris. Nuotrauka per NUBURU.
NUBURU, kita įmonė, orientuota į didelės galios mėlynojo lazerio technologiją, surinko 20 mln. Lazerinis dengimas ir metalo nusodinimas lazeriu (LMD) yra du pritaikymai, kai žaliava kaitinama iki lydymosi temperatūros ir prilimpa prie paviršiaus. Pasak NUBURU, mėlynojo lazerio technologijos pranašumai leidžia padengti varį ant nerūdijančio plieno (ir atvirkščiai). Pramoniniai mėlyni lazeriai gali nusodinti vario metalą sluoksnis po sluoksnio. Šis pranašumas apima lazerinio metalo nusodinimo priedų gamybos procesą (LMD). Aukso, vario, aliuminio ir kitų atspindinčių metalų atveju mėlynas lazeris gali sukurti greičiau nei infraraudonųjų spindulių lazeris yra 10 kartų greitesnis ir užtikrina aukštesnę kokybę.
baltojo lokio santrauka
Aukščiau pateikti tyrimai įrodo, kad tiek žalias lazeris, tiek žalias lazeris gali būti naudojami kaip pageidaujamas šviesos šaltinis spausdinant labai atspindinčias metalines medžiagas, o gryno vario medžiagų 3D spausdinimas gali gerai išspręsti susijusias problemas ir pasiekti didesnį tankį. Tačiau šių dviejų lazerių kaina šiuo metu vis dar yra didelė, o žaliųjų/mėlynų lazerių tobulinimas ir sąnaudų mažinimas vis dar yra problemos, kurias reikia išspręsti ateityje. Tikimasi, kad jei lazerinio 3D spausdinimo technologija bus plačiai pritaikyta gryno vario medžiagoms, tikimasi, kad 3D spausdinimo vario medžiagų rinka dar labiau padidės.
