Saf bakır, yüksek termal ve elektrik iletkenliği nedeniyle elektronik ve güç üretiminde yaygın olarak kullanılan bir malzemedir. Karşılık gelen uygulamalar genellikle elektrik iletkenliğini artırmak için tamamen yoğun malzemelerle birleştirilmiş karmaşık geometrileri içerir. Bu tür uygulamalar için eklemeli imalat (AM) yeni tasarımlar için yeterli görünmektedir.
Daha kesin olarak, Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) teknolojisinin sunduğu yüksek doğruluk ve uzamsal çözünürlük, çok karmaşık şekiller yapmak ve süreçteki malzeme israfını azaltmak için özellikle uygun görünmektedir. Bununla birlikte, lazer kızılötesi lazer radyasyonu altında bakır tozunun yüksek yansıtıcılığı ve yüksek termal iletkenliği nedeniyle, geleneksel L-PBF yöntemiyle düşük gözenekli saf bakır malzemelerin üretilmesi hala gerçek bir teknik problemdir.
Bakır tozunun toz özellikleri
Bakır, mükemmel termal iletkenliğe, elektriksel iletkenliğe ve iyi korozyon direncine ve sünekliğe sahiptir ve metal sistemde, bakırın çok çeşitli kaynakları ve düşük maliyeti vardır ve elektrik ve termal malzemeler, biyotıp gibi birçok alanda yaygın olarak kullanılabilir. vesaire. . Bakır, 1060 nm'den daha büyük bir dalga boyuna sahip lazerler için yüzde 90'ın üzerinde bir yansıtma ve 515 nm bir dalga boyuna sahip lazerler için yüzde 60'ın üzerinde bir absorpsiyon oranı ile lazer ışığına karşı yüksek bir yansıtma özelliğine sahiptir. Bu durumda, bakırın bu özellikleri, eklemeli imalat teknolojisinin işlenmesinde zorluklar getirmektedir. Bakır nispeten yüksek bir termal iletkenliğe sahiptir. Şekillendirme işlemi sırasında, ısı hızlı bir şekilde eriyik alanına aktarılır ve bu da daha yüksek yerel termal gradyanların kolayca katman kıvrılması, delaminasyon ve kısmi parça arızası gibi işlem kusurlarına yol açmasına neden olur. Ek olarak, bakırın yüksek sünekliği, artık tozun şekillendirilmiş parçalardan çıkarılmasını ve geri dönüştürülmesini zorlaştıracaktır. Ayrıca bakır tozu yüksek yüzey aktivitesine sahiptir ve oksitlenmesi kolaydır. Bakır tozu, özel kullanım ve depolama gerektirir.
Bakırın yüksek termal iletkenliği ve lazer ışığının yüksek yansımasının sınırlamaları, bakır tozu katkılı üretim teknolojisinin şekillendirme sürecini kontrol etmeyi ve şekillendirme sürecini zorlaştırır. Şu anda, 3D baskı bakırının araştırılması ve uygulanması, diğer bazı yaygın metal malzemelerin gerisinde kalıyor. Tipik bir yapısal-fonksiyonel entegrasyon malzemesi olarak bakır, çok çeşitli eklemeli üretim gereksinimlerine sahiptir ve 3D baskı endüstrisinde bir araştırma noktasıdır.
Bakırı Şekillendiren Geleneksel Lazer Toz Yatak Füzyonunun Teknik Zorlukları
Lazer seçici eritme teknolojisinin ısı kaynağı lazer ışınıdır. Bakırın lazere yüksek yansıtıcılığı, şekillendirme işlemi sırasında lazer enerjisinin çoğunun optik sisteme geri yansıtılmasına neden olur ve enerjinin sadece küçük bir kısmı bakır tozu tarafından emilir. Xi kayası tamamen erimiştir ve parçalar gözenekler ve çatlaklar gibi kusurlara eğilimlidir, bu da lazerle seçici eritmeli bakırın oluşturulmasını zorlaştırır. Şu anda, bakırın lazerle seçici eritilmesi ve şekillendirilmesi araştırma alanında, ilgili araştırmalar esas olarak parçaların yoğunluğunu iyileştirmeye odaklanmaktadır.
İlk araştırmalar, lazer ekipmanı gibi donanım olanaklarıyla sınırlıydı. Şekillendirme işlemi sırasında lazerin bakır tozunu tamamen eritmesi ve yoğun parçaların hazırlanması zordu. Lazer teknolojisinin sürekli gelişmesiyle, lazer ekipmanının performansı sürekli olarak iyileştirilmiştir ve parçaların yoğunluğunu artırmak için yüksek güç kullanılabilir. Bununla birlikte, optik sisteme geri dönen lazer, optik bileşenlere zarar verecektir ve daha sonra bazı araştırmacılar, bakır tozunun yüzeyini değiştirmek ve lazer dalga boyunu azaltmak gibi yöntemlerin bakırın yüksek yansıtıcılığını artırabileceğini öne sürdüler. Erken lazer seçici eritme şekillendirme ekipmanı, düşük güçlü, zayıf kararlı ve düşük ışın kalitesine sahip lazerler kullanıyordu, bu nedenle bakır tozunun tamamen erimesini sağlamak zordu. Bakır tozuna bağlayıcı olarak sadece düşük erime noktasına veya yüksek lazer absorpsiyon oranına sahip alaşım tozu eklenebilir. Lazer tarama altında bağlayıcı, bakır tozu parçacıkları arasındaki gözenekleri dolduran sıvı bir faz oluşturmak üzere erir ve parçaların sinterlenmesini sağlamak için katılaşır. Bu yönteme "dolaylı sinterleme yöntemi" denir. Bu şekilde tüm parçanın tam olarak basılması sağlanabilse de ilgili bazı araştırmacılar elde edilen parçaların daha az yoğun olduğunu bulmuşlardır.
Akademide, Nanjing Havacılık ve Uzay Bilimleri Üniversitesi'nden Gu Dongdong, maksimum çıkış gücü 1 KW olan bir CO2 lazeri, bağlayıcı olarak ön alaşımlı CuSn tozu ve yoğun bir hazırlamak için Cu artı CuSn artı CuP tozunu sinterlemek için deoksidan olarak CuP kullandı. Yüzde 82 bakır parçalar. Tang Y ve ark. bağlayıcı olarak ön alaşımlı metal tozu Cu3P ile Cu artı Cu3P tozunu lazer sinterlemek için 200 W lazer kullandı ve son olarak yüzde 76 yoğunluğa sahip bir parça hazırladı. Ayrıca Shenghua 3D gibi yerli üreticiler de endirekt 3D baskı ve bakır malzemelerin şekillendirilmesi konusunda keşifler yapmışlar ve atılımlar yapmışlardır.
Özet olarak, erken ilgili araştırmaların, hazırlanan parçaların yoğunluğunu düşük ve biçimlendirme kalitesini kötü yapan lazer gücü ve ışın kalitesinin etkisiyle hala sınırlı olduğu görülebilir. Bu, bakırın lazer ışığını emme oranının zorluğunun üstesinden gelmek ve lazer seçici eritme ve bakır parçaları şekillendirmenin kalitesini ve performansını iyileştirmek için kararlı şekillendirme koşulları üretmek için daha yüksek güç ve daha kaliteli lazerlerin kullanılmasını gerektirir.
Lazer teknolojisinin sürekli gelişmesiyle birlikte lazerlerin kararlılığı ve ışın kalitesi de sürekli iyileştirilmiş ve ışın kalitesi yüksek, kararlılığı ve gücü yüksek bazı lazer ekipmanları devreye alınmıştır. Bazı araştırmacılar bu tür bir ekipmanla deneyler yaptılar ve parça yoğunluğunun büyük ölçüde arttığını gördüler. Lykov PA ve ark. farklı proses parametreleri ile saf bakır numuneleri hazırlamak için Pro DM125 ekipmanını kullandı. 200 W lazer gücü, 100 mm/s tarama hızı, 0,12 mm çizgi aralığı ve 0,05 mm katman kalınlığı koşulları altında, Yüzde 88,1 elde edildi. Bakır örnekleri. Ikeshoji TT ve ark. 800 W lazer gücü ve 300 mm/s tarama hızı koşulu altında 1KW yüksek güçlü tek modlu fiber lazer SLM ekipmanı kullandı, yoğunluğu yüzde 96,6 olan saf bir bakır örneği elde etti ve tarama mesafesinin etkisini inceledi. şekillendirmede İş parçasının kalitesinin etkisine göre, tarama mesafesi yaklaşık 0,1 mm olduğunda elde edilen numunenin yoğunluğunun en yüksek olduğu bulunmuştur. Colopi M ve ark. yüzde 97'den fazla yoğunluğa sahip saf bakır numuneleri hazırlamak için aynı lazer SLM ekipmanını kullandı. Jadhav SD ve ark. 740-1120J/mm3 enerji yoğunluğunun işlem koşulları altında yüzde 98'e kadar yoğunluğa sahip bir numune elde etmek için yüksek güçlü fiber lazer ekipmanı kullandı.
Şekillendirilmiş parçaların yoğunlaştırılması, lazer gücünün arttırılması ve şekillendirme işleminin optimize edilmesiyle sağlanabilse de, optik sisteme geri yansıyan lazer, optik kaplamayı yok edecek ve lazere daha fazla zarar verecektir. Bu nedenle, yalnızca lazerin ışın kalitesini iyileştirmeye ve lazer gücünü artırmaya güvenmek etkili ve uygulanabilir bir çözüm değildir. Yalnızca bakırın lazer gücüne yansıtma özelliğini azaltmak, bu sorunu çözmenin etkili bir yoludur. Çünkü bakır, 515 nm'den daha düşük dalga boyları için yüzde 60'ın üzerinde bir lazer absorpsiyon oranına sahiptir. Bu nedenle, lazer dalga boyunu azaltmak ve bakırın lazere emilim oranını artırmak, bakırın lazerle seçici biçimlendirilmesini gerçekleştirmenin anahtarıdır.
yeşil lazer
Bakırın lazer ışığını yüksek yansıtma sorununu çözmek için, bazı yabancı araştırma kurumları görünür dalga boyu aralığında çalışan yeni geliştirilmiş yüksek güçlü lazer kaynaklarını kullanmaya başladılar ve dalga boyu 515nm (yeşil lazer) olan lazer ekipmanı kullanmaya çalıştılar. ) deneyler için. Geliştirilmiş lazer-bakır enerji bağlantısı.
2017'de Almanya'daki Fraunhofer Lazer Teknolojisi Enstitüsü'ndeki araştırmacılar, saf bakırın yeşil lazer baskısını keşfetmede başı çekti. Saf bakır veya bakır alaşımları için bir yeşil lazer seçici lazer eritme (SLM) sistemi geliştirdiler. 3D baskı teknolojisinin adı "Green SLM".
Kasım 2022'de Trumpf (TRUMP), Frankfurt International Formnext fuarında en yeni 3D yazıcı TruPrint 5000 ve yeşil lazer teknolojisini sergiledi. 2021'de TRUMP, 3 kW'lık yüksek güçlü sürekli yeşil disk lazerini piyasaya sürdü. Bu ürünün ortalama çıkış gücünün, mevcut yeşil lazer serisindeki en güçlü gücü temsil eden 3 kilovat kadar yüksek olduğu ve özellikle lityum olmak üzere bakır ve alüminyum gibi yüksek yansıtıcı malzemelerin kaynağı için çok uygun olduğu bildirilmektedir. pil endüstrisi, yeni enerji araç güç pilleri tarafından temsil edilmektedir. , Trumpf yeşil lazer (1000-3000W), 120 katmana kadar bakır folyo kaynağı yapabilir, neredeyse hiç sıçrama yapmaz ve penetrasyon derinliği hassas ve kontrol edilebilirdir. Ayrıca, yüksek güçlü yeşil ışık, saf bakır malzemelerin katmanlı imalatı - 3D baskı uygulamasında olağanüstü avantajlara sahiptir.
2018'de Shimadzu Corporation (Japonya), yüksek parlaklıkta 100 watt güç üretebilen BLUE IMPACT mavi etkili diyot lazerini ticarileştirdi. Bu ürün Shimadzu Corporation tarafından Japonya'daki Osaka Üniversitesi ile işbirliği içinde Japonya'daki ulusal bir projenin parçası olarak geliştirilmiştir. BLUE IMPACT lazer, Nichia Chemical Corporation'ın (Japonya) birçok galyum nitrür (GaN) mavi lazer diyodunu birleştirerek 2006'dan bu yana verimliliği iki katına çıkarır ve çıkış gücünü bir kat artırır. Shimadzu'nun 450nm mavi diyot lazeri için önemli bir uygulama, bakır malzemelerin 3D baskısıdır.
Yukarıda bahsedilen yeşil lazer, 1960'lardan 1980'lere kadar keşfedildi. O zamanlar insanlar, yeşil ışık kaynakları elde etmek için boşluk içi frekansı ikiye katlayan Nd:YAG lazerlerini gerçekleştirmek için çeşitli doğrusal olmayan kristal malzemeler kullandılar. 1990'larda, uzun ömür, yüksek güvenilirlik, küçük boyut ve yüksek verimlilik avantajlarına sahip, yüksek güç ve yüksek tekrarlama oranına sahip tamamen katı hal yeşil lazerler benzeri görülmemiş bir gelişme kaydetti. Yerli yarı iletken lazerlerin kalitesinin iyileştirilmesi ve yabancı yarı iletken lazerlerin fiyatının düşürülmesiyle, yerli tamamen katı hal yüksek güçlü yeşil lazerlerin araştırılması da büyük ilerleme kaydetti.
Kaynak uygulamalarında yeşil lazer kullanımının bakırla daha iyi çiftleştiği kanıtlanmıştır. Aslında, yeşil dalga boyları (λ=532 veya 515 nm) saf bakır tarafından yalnızca katı halde değil, sıvı halde de daha kolay emilir. Karşılık gelen absorpsiyon oranlarının katı halde yüzde 40 ila yüzde 60 ve sıvı halde yüzde 25 ila yüzde 50 olması beklenmektedir. Alman Foton Teknolojisi Enstitüsü'nün verdiği araştırma sonuçlarına göre, bakır oda sıcaklığında 20 derecede katı haldeyken, yeşil ışık bandı için soğurma oranı yüzde 40 civarında; Bunun yerine, yaklaşık yüzde 5 oranında düştü. Yani bakır eridikten sonra yeşil ışığın soğurulması biraz azalır. Bu özellik, bakır işlenirken sabit bir küçük delik ve neredeyse sıfır sıçrama elde edilmesine yardımcı olur. Bu, yeşil lazerin kızılötesi lazer kaynağına göre bariz avantajıdır. Bu nedenle, L-PBF bakır üzerinde yeşil lazerlerin yaygın olarak kullanılmasının teşvik edilmesi mevcut araştırma çalışmasının temel amacıdır.
mavi lazer
Lazer-bakır enerji eşleşmesini iyileştirmenin ikinci bir olası yolu, bir mavi lazer kaynağı kullanmaktır, bu nedenle, 450 nm dalga boyundaki yüksek güçlü mavi diyot lazerler de bakırın lazer 3D baskısı için güçlü adaylardır.
Saf bakır ve Cu-6Sn alaşımı çalışmasında, Hummel ve diğerleri. mavi lazer ışığı için bakırın soğurma oranının 515-530 nm'den bile yüksek olduğuna ve soğurma oranının iletken kaynak durumunda yüzde 80'e kadar, 515 nm'de ise yüzde 60'a kadar çıktığına dikkat çekti. Bununla birlikte, daha yüksek güçler hâlihazırda geliştirilmekte olsa da, mevcut mavi lazer diyotların parlaklığı ve mevcut odaklanmış ışın çapı, lazer kaynağı için daha yüksek tarama hızı gerektirdiğinden, L-PBF'lerdeki olası uygulamalarını sınırlandırmaktadır.
resim
△ Bakır, altın, alüminyum ve diğer malzemeler mavi lazer ışığını diğer lazer ışığı dalga boylarından daha iyi emer. NUBURU/NASA 1969 aracılığıyla görüntü
Mayıs 2022'de Antarktika Ayısı, Yüksek Hızlı Ekstrüzyon (HSE) 3D baskı teknolojisinin arkasındaki orijinal ekipman üreticisi Essentium ile endüstriyel bir lazer uzmanı olan NUBURU'nun Çözebilen yeni bir mavi lazer tabanlı metal 3D yazıcı geliştirmek için iş birliği yaptığını öğrenir. bakır/altın/alüminyum/paslanmaz çelik ve diğer metallerin geleneksel metal 3D baskı sürecinde kolay yansıma ve zor biçimlendirmenin acı noktaları. Yeni lazer metal 3D baskı makinesinin NUBURU'nun tescilli mavi lazer teknolojisini entegre edeceği ve tel besleme şeklindeki malzemeleri işleyebileceği bildiriliyor, bu nedenle yönlendirilmiş enerji biriktirme (DED) prensibiyle çalıştığı sonucuna varabiliriz. Ayrıca NUBURU, mavi lazer teknolojisinin rakiplerinden 10 kata kadar daha hızlı 3D baskıyı mümkün kıldığını ve aynı zamanda çok yüksek yoğunluklarda metal baskı yapabileceğini iddia ediyor.
resim
△Bir NUBURU mavi lazer. NUBURU'dan fotoğraf.
Yüksek güçlü mavi lazer teknolojisine odaklanan başka bir şirket olan NUBURU, endüstriyel üretim hatları geliştirmek ve enerji depolama, elektrikli araçlar ve 3D baskı pazarları geliştirmek için 20 milyon dolar topladı. Lazer kaplama ve lazer metal biriktirme (LMD), ham maddenin erime noktasına kadar ısıtıldığı ve yüzeye yapıştırıldığı iki uygulamadır. NUBURU'ya göre, mavi lazer teknolojisinin avantajları, bakırın paslanmaz çeliğe kaplanmasına (veya tersi) izin verir. Endüstriyel mavi lazerler, bakır metali katman katman biriktirebilir. Bu avantaj, lazer metal biriktirme katkılı üretim sürecine (LMD) kadar uzanır. Altın, bakır, alüminyum ve diğer yansıtıcı metaller için mavi lazer, Kızılötesi lazerlerden 10 kat daha hızlı inşa edebilir ve daha yüksek kalite sunar.
kutup ayısı özeti
Yukarıdaki araştırma, hem yeşil lazerin hem de yeşil lazerin yüksek yansıtıcılığa sahip metal malzemelerin 3B baskısı için tercih edilen ışık kaynağı olarak kullanılabileceğini ve saf bakır malzemelerin 3B baskısının ilgili sorunları çözebileceğini ve daha yüksek yoğunluk elde edebileceğini kanıtlıyor. Bununla birlikte, bu iki lazerin maliyeti şu anda hala yüksektir ve yeşil/mavi lazerlerin iyileştirilmesi ve maliyetinin düşürülmesi gelecekte çözülmesi gereken sorunlardır. Lazer 3D baskı teknolojisinin saf bakır malzemelere büyük ölçekte uygulanabilmesi durumunda, 3D baskı bakır malzemelerinin pazar boyutunun daha da genişlemesi beklenebilir.
