El cobre puro es un material ampliamente utilizado en la producción de energía y electrónica debido a su alta conductividad térmica y eléctrica. Las aplicaciones correspondientes a menudo involucran geometrías complejas combinadas con materiales completamente densos para mejorar la conductividad eléctrica. Para tales aplicaciones, la fabricación aditiva (AM) parece ser suficiente para los nuevos diseños.
Más precisamente, la alta precisión y resolución espacial que ofrece la tecnología Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) parece ser particularmente adecuada para hacer formas muy complejas y reducir el desperdicio de material en el proceso. Sin embargo, debido a la alta reflectividad y la alta conductividad térmica del polvo de cobre bajo la radiación láser infrarroja, sigue siendo un verdadero problema técnico fabricar materiales de cobre puro de baja porosidad mediante el método tradicional L-PBF.
Propiedades del polvo de polvo de cobre.
El cobre tiene una excelente conductividad térmica, conductividad eléctrica y buena resistencia a la corrosión y ductilidad, y en el sistema metálico, el cobre tiene una amplia gama de fuentes y bajo costo, y puede usarse ampliamente en muchos campos, como materiales eléctricos y térmicos, biomedicina, etc. . El cobre tiene una alta reflectividad a la luz láser, con una reflectividad de más del 90 por ciento para láseres con una longitud de onda superior a 1060 nm y una tasa de absorción de más del 60 por ciento para láseres con una longitud de onda de 515 nm. En este caso, estas características del cobre traen desafíos en el procesamiento de la tecnología de fabricación aditiva. El cobre tiene una conductividad térmica relativamente alta. Durante el proceso de formación, el calor se transferirá rápidamente al área de fusión, lo que dará como resultado gradientes térmicos locales más altos que pueden conducir fácilmente a defectos del proceso, como ondulación de la capa, deslaminación y falla parcial de la pieza. Además, la alta ductilidad del cobre dificultará la eliminación y el reciclaje del polvo residual de las piezas formadas. Además, el polvo de cobre tiene una alta actividad superficial y es fácil de oxidar. El polvo de cobre requiere un manejo y almacenamiento especiales.
Las limitaciones de la alta conductividad térmica del cobre y la alta reflexión de la luz láser dificultan el control del proceso de formación de la tecnología de fabricación aditiva de polvo de cobre, y el proceso de formación es difícil. En la actualidad, la investigación y la aplicación de la impresión 3D de cobre va a la zaga de otros materiales metálicos comunes. El cobre, como material típico de integración estructural-funcional, tiene una amplia gama de necesidades de fabricación aditiva y es un centro de investigación en la industria de la impresión 3D.
Dificultades técnicas de la fusión de lecho de polvo láser tradicional que forma cobre
La fuente de calor de la tecnología de fusión selectiva por láser es el rayo láser. La alta reflectividad del cobre al láser hace que la mayor parte de la energía del láser se refleje de regreso al sistema óptico durante el proceso de formación, y el polvo de cobre absorbe solo una pequeña parte de la energía. La roca Xi está completamente derretida y las partes son propensas a defectos como poros y grietas, lo que dificulta la formación de cobre de fusión selectiva por láser. En la actualidad, en el campo de investigación de la fusión y formación selectiva de cobre por láser, la investigación relacionada se centra principalmente en mejorar la densidad de las piezas.
Las primeras investigaciones estaban limitadas por las instalaciones de hardware, como los equipos láser. Durante el proceso de formación, era difícil para el láser derretir completamente el polvo de cobre y era difícil preparar piezas densas. Con el desarrollo continuo de la tecnología láser, el rendimiento del equipo láser se ha mejorado continuamente y se puede utilizar alta potencia para aumentar la densidad de las piezas. Sin embargo, el láser devuelto al sistema óptico dañará los componentes ópticos, y luego algunos investigadores propusieron que métodos como la modificación de la superficie del polvo de cobre y la reducción de la longitud de onda del láser pueden mejorar la alta reflectividad del cobre. Los primeros equipos de formación por fusión selectiva con láser usaban láseres de baja potencia, baja estabilidad y baja calidad de haz, por lo que era difícil lograr la fusión completa del polvo de cobre. Solo se puede agregar al polvo de cobre como aglutinante polvo de aleación con bajo punto de fusión o alta tasa de absorción de láser. Bajo el escaneo láser, el aglutinante se funde para formar una fase líquida que llena los poros entre las partículas de polvo de cobre y se solidifica para lograr la sinterización Preparación de las piezas. Este método se denomina "método de sinterización indirecta". Aunque de esta manera se puede lograr la impresión completa de la pieza completa, algunos investigadores relacionados han encontrado que las piezas obtenidas son menos densas.
En el ámbito académico, Gu Dongdong de la Universidad de Aeronáutica y Astronáutica de Nanjing utilizó un láser de CO2 con una potencia de salida máxima de 1 KW, polvo de CuSn prealeado como aglutinante y CuP como desoxidante para sinterizar Cu más CuSn más polvo de CuP para preparar un denso 82 por ciento de piezas de cobre. Tang Y et al. usó un láser de 200 W para sinterizar por láser Cu más polvo de Cu3P con polvo de metal prealeado Cu3P como aglutinante, y finalmente preparó una pieza con una densidad del 76 por ciento. Además, los fabricantes nacionales como Shenghua 3D también han realizado exploraciones en la impresión 3D indirecta y la formación de materiales de cobre, y han logrado avances.
En resumen, se puede ver que las primeras investigaciones relacionadas todavía están limitadas por la influencia de la potencia del láser y la calidad del haz, lo que hace que la densidad de las piezas preparadas sea baja y la calidad del conformado sea deficiente. Esto requiere el uso de láseres de mayor potencia y mejor calidad para superar la dificultad de la tasa de absorción de cobre de la luz láser y producir condiciones de formación estables, a fin de mejorar la calidad y el rendimiento de la fusión selectiva por láser y la formación de piezas de cobre.
Con el desarrollo continuo de la tecnología láser, la estabilidad y la calidad del haz de los láseres también se han mejorado continuamente, y se han puesto en uso algunos equipos láser con alta calidad del haz, alta estabilidad y alta potencia. Algunos investigadores experimentaron con este tipo de equipo y encontraron que la densidad de las piezas mejoraba mucho. Lykov PA et al. utilizó el equipo Pro DM125 para preparar muestras de cobre puro con diferentes parámetros de proceso. En las condiciones de potencia láser de 200 W, velocidad de escaneo de 100 mm/s, espacio entre líneas de 0,12 mm y espesor de capa de 0,05 mm, muestras de cobre puro con una densidad de Se obtuvo el 88,1 por ciento. Muestras de cobre. Ikeshoji TT et al. utilizó un equipo SLM de láser de fibra monomodo de alta potencia de 1KW, bajo la condición de una potencia láser de 800 W y una velocidad de exploración de 300 mm/s, obtuvo una muestra de cobre puro con una densidad del 96,6 por ciento y estudió el efecto de la distancia de exploración en la formación De acuerdo con la influencia de la calidad de la pieza de trabajo, se encuentra que cuando la distancia de exploración es de aproximadamente 0,1 mm, la densidad de la muestra obtenida es la más alta. Colopi M et al. utilizó el mismo equipo láser SLM para preparar muestras de cobre puro con una densidad superior al 97 por ciento. Jadhav SD et al. utilizó un equipo láser de fibra de alta potencia para obtener una muestra con una densidad de hasta el 98 por ciento en las condiciones de proceso de una densidad de energía de 740-1120J/mm3.
Aunque la densificación de las piezas formadas se puede lograr aumentando la potencia del láser y optimizando el proceso de formación, el láser reflejado hacia el sistema óptico destruirá el recubrimiento óptico y dañará aún más el láser. Por lo tanto, no es una solución efectiva y factible confiar únicamente en mejorar la calidad del haz del láser y aumentar la potencia del láser. Solo reducir la reflectividad del cobre a la potencia del láser es una forma efectiva de resolver este problema. Porque el cobre tiene una tasa de absorción de láser de más del 60 por ciento para longitudes de onda inferiores a 515 nm. Por lo tanto, la reducción de la longitud de onda del láser y el aumento de la tasa de absorción del cobre al láser es la clave para realizar la formación selectiva del cobre con láser.
láser verde
Para resolver el problema de la alta reflexión de la luz láser del cobre, algunas instituciones de investigación extranjeras comenzaron a utilizar fuentes de láser de alta potencia recientemente desarrolladas que funcionan en el rango de longitud de onda visible y trataron de utilizar equipos láser con una longitud de onda de 515 nm (láser verde). ) para experimentos. Acoplamiento de energía láser-cobre mejorado.
En 2017, los investigadores del Instituto Fraunhofer de Tecnología Láser de Alemania tomaron la iniciativa en la exploración de la impresión láser verde de cobre puro. Desarrollaron un sistema de fusión por láser selectivo (SLM) con láser verde para cobre puro o aleaciones de cobre. Impresión 3D, la tecnología se llama "Green SLM".
En noviembre de 2022, Trumpf (TRUMP) demostró la última impresora 3D, TruPrint 5000, y la tecnología de láser verde en la exposición Formnext de Frankfurt International. En 2021, TRUMP lanzó su láser de disco verde continuo de alta potencia de 3 kW. Se informa que la potencia de salida promedio de este producto es de hasta 3 kilovatios, lo que representa la potencia más fuerte en la serie actual de láser verde, y es muy adecuado para soldar materiales altamente reflectantes como el cobre y el aluminio, especialmente en el litio. Industria de baterías representada por baterías de energía para vehículos de nueva energía. , el láser verde Trumpf (1000-3000W) puede lograr hasta 120 capas de soldadura de lámina de cobre, casi sin salpicaduras, y la profundidad de penetración es precisa y controlable. Además, la luz verde de alta potencia también tiene ventajas sobresalientes en la aplicación de fabricación aditiva de materiales de cobre puro - 3impresión D.
En 2018, Shimadzu Corporation (Japón) comercializó su láser de diodo de impacto azul BLUE IMPACT, que puede producir 100 vatios de potencia con alto brillo. Este producto fue desarrollado por Shimadzu Corporation en cooperación con la Universidad de Osaka en Japón como parte de un proyecto nacional en Japón. El láser BLUE IMPACT combina muchos diodos de láser azul de nitruro de galio (GaN) de Nichia Chemical Corporation (Japón), duplicando la eficiencia desde 2006 y aumentando la potencia de salida en un orden de magnitud. Una aplicación clave para el láser de diodo azul de 450 nm de Shimadzu es la impresión 3D de materiales de cobre.
El láser verde mencionado anteriormente se descubrió durante las décadas de 1960 a 1980. En ese momento, la gente usaba varios materiales de cristal no lineal para realizar láseres Nd:YAG de duplicación de frecuencia intracavitaria para obtener fuentes de luz verde. En la década de 1990, los láseres verdes de estado sólido con alta potencia y alta tasa de repetición, que tienen las ventajas de una larga vida útil, alta confiabilidad, tamaño pequeño y alta eficiencia, lograron un desarrollo sin precedentes. Con la mejora de la calidad de los láseres semiconductores domésticos y la reducción del precio de los láseres semiconductores extranjeros, la investigación de láseres verdes domésticos de alta potencia y estado sólido también ha logrado un gran progreso.
Se ha demostrado que el uso de láseres verdes se acopla mejor al cobre en aplicaciones de soldadura. De hecho, las longitudes de onda verdes (λ=532 o 515 nm) son absorbidas más fácilmente por el cobre puro, no solo en estado sólido sino también en estado líquido. Se espera que las tasas de absorción correspondientes estén entre el 40 y el 60 por ciento en estado sólido y entre el 25 y el 50 por ciento en estado líquido. Según los resultados de la investigación proporcionados por el Instituto Alemán de Tecnología de Fotones, cuando el cobre está en estado sólido a temperatura ambiente a 20 grados, la tasa de absorción de la banda de luz verde es de aproximadamente el 40 por ciento; En cambio, se redujo en aproximadamente un 5 por ciento. Es decir, la absorción de luz verde disminuye ligeramente después de que se funde el cobre. Esta función ayuda a lograr un orificio pequeño estable y casi cero salpicaduras al mecanizar cobre. Esta es la ventaja obvia del láser verde sobre la soldadura láser infrarroja. Por lo tanto, promover el uso generalizado de láseres verdes en cobre L-PBF es el objetivo principal del trabajo de investigación actual.
láser azul
Una segunda forma posible de mejorar el acoplamiento de energía láser-cobre es utilizar una fuente de láser azul; por lo tanto, los láseres de diodo azul de alta potencia con una longitud de onda de 450 nm también son buenos candidatos para la impresión láser 3D de cobre.
En el estudio de cobre puro y aleación de Cu-6Sn, Hummel et al. señaló que la tasa de absorción del cobre para la luz láser azul es incluso superior a 515-530 nm, y la tasa de absorción es tan alta como el 80 por ciento en el estado de soldadura conductora, mientras que a 515 nm el 60 por ciento. Sin embargo, a pesar de que ya se están desarrollando potencias más altas, los diodos láser azules existentes todavía tienen un brillo y un diámetro de haz enfocado disponibles limitados, lo que limita su posible aplicación en L-PBF, ya que esto requiere una mayor velocidad de escaneo para la soldadura láser.
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△ El cobre, el oro, el aluminio y otros materiales absorben la luz láser azul mejor que otras longitudes de onda de luz láser. Imagen vía NUBURU/NASA 1969
En mayo de 2022, Antarctic Bear se entera de que Essentium, el fabricante de equipos originales detrás de la tecnología de impresión 3D de extrusión de alta velocidad (HSE), y NUBURU, un especialista en láser industrial, se han unido para desarrollar una nueva impresora 3D de metal basada en láser azul que puede resolver los puntos débiles de reflexión fácil y formación difícil en el proceso tradicional de impresión 3D de metal de cobre/oro/aluminio/acero inoxidable y otros metales. Se informa que la nueva máquina de impresión 3D de metal láser integrará la tecnología de láser azul patentada de NUBURU y podrá procesar materiales en forma de alimentación de alambre, por lo que podemos inferir que funciona según el principio de deposición de energía dirigida (DED). Además, NUBURU afirma que la tecnología de láser azul puede permitir la impresión 3D hasta 10 veces más rápido que la competencia, al mismo tiempo que imprime metal a densidades muy altas.
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△Un láser azul NUBURU. Foto vía NUBURU.
NUBURU, otra empresa centrada en la tecnología de láser azul de alta potencia, ha recaudado 20 millones de dólares para desarrollar líneas de producción industrial y desarrollar mercados para almacenamiento de energía, vehículos eléctricos e impresión 3D. El revestimiento por láser y la deposición de metal por láser (LMD) son dos aplicaciones en las que la materia prima se calienta hasta su punto de fusión y se adhiere a la superficie. Según NUBURU, las ventajas de su tecnología de láser azul permiten el revestimiento de cobre sobre acero inoxidable (y viceversa). Los láseres azules industriales pueden depositar metal de cobre capa por capa. Esta ventaja se extiende al proceso de fabricación aditiva (LMD) por deposición de metal por láser. Para oro, cobre, aluminio y otros metales reflectantes, el láser azul puede construir más rápido que los láseres infrarrojos, son 10 veces más rápidos y brindan una calidad superior.
Resumen del oso polar
La investigación anterior demuestra que tanto el láser verde como el láser verde se pueden utilizar como la fuente de luz preferida para la impresión 3D de materiales metálicos altamente reflectantes, y la impresión 3D de materiales de cobre puro puede resolver bien los problemas relacionados y lograr una mayor densidad. Sin embargo, el costo de estos dos láseres todavía es alto en la actualidad, y la mejora y reducción de costos de los láseres verde/azul aún son problemas por resolver en el futuro. Es previsible que si la tecnología de impresión 3D láser se puede aplicar a materiales de cobre puro a gran escala, se espera que el tamaño del mercado de materiales de cobre de impresión 3D se amplíe aún más.
