Le cuivre pur est un matériau largement utilisé dans l'électronique et la production d'énergie en raison de sa conductivité thermique et électrique élevée. Les applications correspondantes impliquent souvent des géométries complexes combinées à des matériaux entièrement denses pour améliorer la conductivité électrique. Pour de telles applications, la fabrication additive (FA) semble suffisante pour les nouvelles conceptions.
Plus précisément, la haute précision et la résolution spatiale offertes par la technologie Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) semblent particulièrement bien adaptées à la réalisation de formes très complexes et à la réduction des déchets de matériaux dans le processus. Cependant, en raison de la réflectivité élevée et de la conductivité thermique élevée de la poudre de cuivre sous rayonnement laser infrarouge laser, la fabrication de matériaux en cuivre pur à faible porosité par la méthode L-PBF traditionnelle reste un véritable problème technique.
Propriétés de poudre de la poudre de cuivre
Le cuivre a une excellente conductivité thermique, conductivité électrique et une bonne résistance à la corrosion et ductilité, et dans le système métallique, le cuivre a un large éventail de sources et un faible coût, et peut être largement utilisé dans de nombreux domaines tels que les matériaux électriques et thermiques, la biomédecine, etc. . Le cuivre a une réflectivité élevée à la lumière laser, avec une réflectivité de plus de 90 % pour les lasers d'une longueur d'onde supérieure à 1060 nm et un taux d'absorption de plus de 60 % pour les lasers d'une longueur d'onde de 515 nm. Dans ce cas, ces caractéristiques du cuivre posent des défis dans le traitement de la technologie de fabrication additive. Le cuivre a une conductivité thermique relativement élevée. Pendant le processus de formage, la chaleur sera rapidement transférée vers la zone de fusion, ce qui entraîne des gradients thermiques locaux plus élevés pouvant facilement conduire à des défauts de processus tels que le gauchissement de la couche, le délaminage et la défaillance partielle de la pièce. De plus, la ductilité élevée du cuivre rendra difficile l'élimination et le recyclage de la poudre résiduelle des pièces formées. De plus, la poudre de cuivre a une activité de surface élevée et est facile à oxyder. La poudre de cuivre nécessite une manipulation et un stockage particuliers.
Les limites de la conductivité thermique élevée du cuivre et de la réflexion élevée de la lumière laser rendent difficile le contrôle du processus de formation de la technologie de fabrication additive de poudre de cuivre, et le processus de formation est difficile. À l'heure actuelle, la recherche et l'application du cuivre d'impression 3D sont à la traîne par rapport à d'autres matériaux métalliques courants. Le cuivre, en tant que matériau d'intégration structurel-fonctionnel typique, répond à un large éventail de besoins de fabrication additive et constitue un point chaud de la recherche dans l'industrie de l'impression 3D.
Difficultés techniques de la fusion traditionnelle sur lit de poudre au laser formant du cuivre
La source de chaleur de la technologie de fusion sélective au laser est le faisceau laser. La réflectivité élevée du cuivre vers le laser provoque la réflexion de la majeure partie de l'énergie laser vers le système optique pendant le processus de formage, et seule une petite partie de l'énergie est absorbée par la poudre de cuivre. La roche Xi est complètement fondue et les pièces sont sujettes à des défauts tels que des pores et des fissures, ce qui complique la formation du cuivre par fusion sélective au laser. À l'heure actuelle, dans le domaine de la recherche sur la fusion et le formage sélectifs par laser du cuivre, les recherches connexes se concentrent principalement sur l'amélioration de la densité des pièces.
Les premières recherches étaient limitées par des installations matérielles telles que l'équipement laser. Pendant le processus de formage, il était difficile pour le laser de fondre complètement la poudre de cuivre et il était difficile de préparer des pièces denses. Avec le développement continu de la technologie laser, les performances des équipements laser ont été continuellement améliorées et une puissance élevée peut être utilisée pour augmenter la densité des pièces. Cependant, le laser renvoyé au système optique endommagera les composants optiques, puis certains chercheurs ont proposé que des méthodes telles que la modification de la surface de la poudre de cuivre et la réduction de la longueur d'onde du laser puissent améliorer la réflectivité élevée du cuivre. Les premiers équipements de formage par fusion sélective au laser utilisaient des lasers à faible puissance, à faible stabilité et à faible qualité de faisceau, il était donc difficile d'obtenir une fusion complète de la poudre de cuivre. Seule une poudre d'alliage à bas point de fusion ou à taux d'absorption laser élevé peut être ajoutée à la poudre de cuivre comme liant. Sous balayage laser, le liant fond pour former une phase liquide qui comble les pores entre les particules de poudre de cuivre et se solidifie pour réaliser le frittage Préparation des pièces. Cette méthode est appelée "méthode de frittage indirect". Bien que l'impression complète de la pièce entière puisse être obtenue de cette manière, certains chercheurs apparentés ont constaté que les pièces obtenues étaient moins denses.
Dans le milieu universitaire, Gu Dongdong de l'Université d'aéronautique et d'astronautique de Nanjing a utilisé un laser CO2 d'une puissance de sortie maximale de 1 KW, une poudre de CuSn pré-alliée comme liant et CuP comme désoxydant pour fritter Cu plus CuSn plus CuP poudre pour préparer un dense 82 % de pièces en cuivre. Tang Y et al. a utilisé un laser de 200 W pour fritter au laser la poudre de Cu plus Cu3P avec de la poudre de métal pré-allié Cu3P comme liant, et a finalement préparé une pièce avec une densité de 76 %. En outre, des fabricants nationaux tels que Shenghua 3D ont également fait des explorations dans l'impression 3D indirecte et le formage de matériaux en cuivre, et ont fait des percées.
En résumé, on peut voir que les premières recherches connexes sont encore limitées par l'influence de la puissance laser et de la qualité du faisceau, ce qui rend la densité des pièces préparées faible et la qualité de formage médiocre. Cela nécessite l'utilisation de lasers de puissance supérieure et de meilleure qualité pour surmonter la difficulté du taux d'absorption de la lumière laser par le cuivre et produire des conditions de formage stables, afin d'améliorer la qualité et les performances de la fusion sélective au laser et du formage de pièces en cuivre.
Avec le développement continu de la technologie laser, la stabilité et la qualité du faisceau des lasers ont également été continuellement améliorées, et certains équipements laser avec une qualité de faisceau élevée, une stabilité élevée et une puissance élevée ont été mis en service. Certains chercheurs ont expérimenté ce type d'équipement et ont constaté que la densité des pièces était grandement améliorée. Lykov PA et al. utilisé l'équipement Pro DM125 pour préparer des échantillons de cuivre pur avec différents paramètres de processus. Dans des conditions de puissance laser de 200 W, de vitesse de balayage de 100 mm/s, d'espacement des lignes de 0,12 mm et d'épaisseur de couche de 0,05 mm, des échantillons de cuivre pur d'une densité de 88,1 pour cent ont été obtenus. Échantillons de cuivre. Ikeshoji TT et al. utilisé un équipement SLM laser à fibre monomode haute puissance de 1KW, sous la condition d'une puissance laser de 800 W et d'une vitesse de balayage de 300 mm/s, a obtenu un échantillon de cuivre pur avec une densité de 96,6% et a étudié l'effet de la distance de balayage sur formage Selon l'influence de la qualité de la pièce, on constate que lorsque la distance de balayage est d'environ 0,1 mm, la densité de l'échantillon obtenu est la plus élevée. Colopi M et al. ont utilisé le même équipement laser SLM pour préparer des échantillons de cuivre pur avec une densité supérieure à 97 %. Jadhav SD et al. utilisé un équipement laser à fibre haute puissance pour obtenir un échantillon avec une densité allant jusqu'à 98 % dans les conditions de traitement d'une densité d'énergie de 740-1120J/mm3.
Bien que la densification des pièces formées puisse être obtenue en augmentant la puissance du laser et en optimisant le processus de formage, le laser réfléchi vers le système optique détruira le revêtement optique et endommagera davantage le laser. Par conséquent, ce n'est pas une solution efficace et faisable de compter uniquement sur l'amélioration de la qualité du faisceau du laser et l'augmentation de la puissance du laser. Seule la réduction de la réflectivité du cuivre à la puissance laser est un moyen efficace de résoudre ce problème. Parce que le cuivre a un taux d'absorption laser de plus de 60 % pour les longueurs d'onde inférieures à 515 nm. Par conséquent, la réduction de la longueur d'onde laser et l'augmentation du taux d'absorption du cuivre au laser sont la clé pour réaliser le formage sélectif au laser du cuivre.
laser vert
Afin de résoudre le problème de la réflexion élevée de la lumière laser par le cuivre, certains instituts de recherche étrangers ont commencé à utiliser des sources laser haute puissance nouvellement développées qui fonctionnent dans la gamme de longueurs d'onde visibles et ont essayé d'utiliser un équipement laser d'une longueur d'onde de 515 nm (laser vert ) pour des expériences. Couplage énergétique laser-cuivre amélioré.
En 2017, des chercheurs de l'Institut Fraunhofer de technologie laser en Allemagne ont pris l'initiative d'explorer l'impression laser verte du cuivre pur. Ils ont développé un système de fusion laser sélective au laser vert (SLM) pour le cuivre pur ou les alliages de cuivre. Impression 3D, la technologie est nommée "Green SLM".
En novembre 2022, Trumpf (TRUMP) a présenté la dernière imprimante 3D TruPrint 5000 et la technologie laser verte au salon international Formnext de Francfort. En 2021, TRUMP a lancé son laser à disque vert continu haute puissance de 3 kW. Il est rapporté que la puissance de sortie moyenne de ce produit est aussi élevée que 3 kilowatts, ce qui représente la puissance la plus forte de la série laser verte actuelle, et est très appropriée pour souder des matériaux hautement réfléchissants tels que le cuivre et l'aluminium, en particulier dans le lithium. l'industrie des batteries représentée par les batteries de puissance des véhicules à énergie nouvelle. , le laser vert Trumpf (1000-3000W) peut réaliser jusqu'à 120 couches de soudure de feuille de cuivre, presque sans éclaboussures, et la profondeur de pénétration est précise et contrôlable. En outre, la lumière verte haute puissance présente également des avantages exceptionnels dans l'application de la fabrication additive de matériaux en cuivre pur - 3impression D.
En 2018, Shimadzu Corporation (Japon) a commercialisé son laser à diode à impact bleu BLUE IMPACT, qui peut produire 100 watts de puissance à haute luminosité. Ce produit a été développé par Shimadzu Corporation en coopération avec l'Université d'Osaka au Japon dans le cadre d'un projet national au Japon. Le laser BLUE IMPACT combine de nombreuses diodes laser bleues au nitrure de gallium (GaN) de Nichia Chemical Corporation (Japon), doublant l'efficacité depuis 2006 et augmentant la puissance de sortie d'un ordre de grandeur. Une application clé du laser à diode bleue 450 nm de Shimadzu est l'impression 3D de matériaux en cuivre.
Le laser vert mentionné ci-dessus a été découvert dans les années 1960 à 1980. À cette époque, les gens utilisaient divers matériaux cristallins non linéaires pour réaliser des lasers Nd: YAG à doublage de fréquence intracavité afin d'obtenir des sources de lumière verte. Dans les années 1990, les lasers verts entièrement à semi-conducteurs à haute puissance et à taux de répétition élevé, qui présentent les avantages d'une longue durée de vie, d'une grande fiabilité, d'une petite taille et d'un rendement élevé, ont connu un développement sans précédent. Avec l'amélioration de la qualité des lasers à semi-conducteurs nationaux et la réduction du prix des lasers à semi-conducteurs étrangers, la recherche de lasers verts à haute puissance à semi-conducteurs nationaux a également fait de grands progrès.
L'utilisation de lasers verts s'est avérée mieux couplée au cuivre dans les applications de soudage. En fait, les longueurs d'onde vertes (λ=532 ou 515 nm) sont plus facilement absorbées par le cuivre pur non seulement à l'état solide mais aussi à l'état liquide. Les taux d'absorption correspondants devraient se situer entre 40 et 60 % à l'état solide et entre 25 et 50 % à l'état liquide. Selon les résultats de recherche donnés par l'Institut allemand de technologie photonique, lorsque le cuivre est à l'état solide à température ambiante à 20 degrés, le taux d'absorption pour la bande de lumière verte est d'environ 40 % ; Au lieu de cela, il a chuté d'environ 5 %. C'est-à-dire que l'absorption de la lumière verte diminue légèrement après la fusion du cuivre. Cette caractéristique permet d'obtenir un petit trou stable et presque aucune éclaboussure lors de l'usinage du cuivre. C'est l'avantage évident du laser vert par rapport au soudage laser infrarouge. Par conséquent, promouvoir l'utilisation généralisée des lasers verts sur le cuivre L-PBF est l'objectif principal des travaux de recherche actuels.
laser bleu
A second possible way to improve laser-copper energy coupling is to use a blue laser source, therefore, high-power blue diode lasers at a wavelength of 450 nm are also strong candidates for laser 3D printing of copper.
Dans l'étude du cuivre pur et de l'alliage Cu-6Sn, Hummel et al. a souligné que le taux d'absorption du cuivre pour la lumière laser bleue est encore plus élevé que 515-530 nm, et que le taux d'absorption atteint 80 % dans l'état de soudage conducteur, alors qu'à 515 nm 60 % . Cependant, même si des puissances plus élevées sont déjà en cours de développement, les diodes laser bleues existantes sont encore limitées en termes de luminosité et de diamètre de faisceau focalisé disponible, ce qui limite leur application possible dans les L-PBF, car cela nécessite une vitesse de balayage plus élevée pour le soudage au laser.
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△ Le cuivre, l'or, l'aluminium et d'autres matériaux absorbent mieux la lumière laser bleue que les autres longueurs d'onde de la lumière laser. Image via NUBURU/NASA 1969
En mai 2022, Antarctic Bear apprend qu'Essentium, le fabricant d'équipement d'origine derrière la technologie d'impression 3D par extrusion à grande vitesse (HSE), et NUBURU, un spécialiste du laser industriel, se sont associés pour développer une nouvelle imprimante 3D métal à base de laser bleu qui peut résoudre les points douloureux de la réflexion facile et de la formation difficile dans le processus d'impression 3D métallique traditionnel du cuivre/or/aluminium/acier inoxydable et d'autres métaux. Il est rapporté que la nouvelle machine d'impression laser métal 3D intégrera la technologie laser bleue exclusive de NUBURU et sera capable de traiter des matériaux sous forme d'alimentation en fil, nous pouvons donc en déduire qu'elle fonctionne sur le principe du dépôt d'énergie dirigée (DED). De plus, NUBURU affirme que la technologie laser bleu peut permettre une impression 3D jusqu'à 10 fois plus rapide que ses concurrents, tout en imprimant du métal à des densités très élevées.
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△Un laser bleu NUBURU. Photo via NUBURU.
NUBURU, une autre société axée sur la technologie laser bleu haute puissance, a levé 20 millions de dollars pour développer des lignes de production industrielle et développer les marchés du stockage d'énergie, des véhicules électriques et de l'impression 3D. Le revêtement laser et le dépôt de métal par laser (LMD) sont deux applications où la matière première est chauffée à son point de fusion et collée à la surface. Selon NUBURU, les avantages de sa technologie laser bleu permettent le placage du cuivre sur l'inox (et inversement). Les lasers bleus industriels peuvent déposer du cuivre métallique couche par couche. Cet avantage s'étend au procédé de fabrication additive par dépôt de métal par laser (LMD). Pour l'or, le cuivre, l'aluminium et d'autres métaux réfléchissants, le laser bleu peut construire plus rapidement que les lasers infrarouges sont 10 fois plus rapides et offrent une meilleure qualité.
Résumé de l'ours polaire
La recherche ci-dessus prouve que le laser vert et le laser vert peuvent être utilisés comme source de lumière préférée pour l'impression 3D de matériaux métalliques hautement réfléchissants, et l'impression 3D de matériaux en cuivre pur peut bien résoudre les problèmes connexes et atteindre une densité plus élevée. Cependant, le coût de ces deux lasers est encore élevé à l'heure actuelle, et l'amélioration et la réduction des coûts des lasers verts/bleus sont encore des problèmes à résoudre dans le futur. Il est prévisible que si la technologie d'impression laser 3D peut être appliquée à grande échelle aux matériaux en cuivre pur, la taille du marché des matériaux en cuivre d'impression 3D devrait encore être élargie.
