铜激光熔化：AFU克服的密度挑战

魔猴君  科技前沿   140天前

AFU是一家专门从事机械加工的法国公司，自2014年以来一直投资金属3D打印，以扩大其能力并生产更复杂的部件。现在配备了3台机器，它花了两年的时间致力于铜的参数化，特别是铜铬锆合金(CuCrZr)的参数化。目标是能够在配备400W红外激光器的标准机器上以优异的密度3D打印铜零件，同时保留其固有特性。自2024年夏季以来，它已经能够制造层厚度为40微米的致密零件(>99.5%)，这在法国尚属首次，因此它能够应对这一挑战。

AFU公司总部位于圣马洛，多年来一直为不同行业的工业客户实施项目提供支持。2014年，它转向金属增材制造，特别是激光粉末床融合(L-PBF/SLM)，以便一次性提供更复杂的定制零件甚至原型。该公司提供多种金属，包括以其热性能和电性能而闻名的铜。然而，这些也是粉末状铜比钛、铝或钢等其他金属更难打印的原因。

3D打印CuCrZr电感器

增材制造中的铜

近年来，增材制造市场围绕铜取得了众多发展，铜是一种因其导电性、延展性、耐磨性甚至耐腐蚀性而特别受到赞赏的金属。因此，它非常适合航空航天和电子、热交换器或感应器的制造等应用。然而，铜并不是一种容易打印的金属，特别是当使用使用红外激光的机器时，就像大多数激光融合解决方案的情况一样。

事实上，铜消耗了部分激光能量，导致功率显着损失，从而无法实现最佳融合。使用功率为200W或400W的红外激光器（相当于市场上的大多数金属解决方案）时，熔化不完全，从而产生脆弱区域、孔隙率过高和电导率过低。具体来说，需要使用100%的激光功率才能获得满意的结果和良好的密度。然而，传输到材料的60%的能量会损失（由粉末耗散或在熔化过程中反射）。因此，我们知道，使用如此功率的激光器，如果没有专门的开发，我们无法弥补损失，并且获得的部件将是多孔的。

CuCrZr 3D打印镂空球

如何克服这一挑战？

第一个解决方案是使用具有更强大激光（例如1kW）的机器。它们存在于市场上，但非常昂贵，并且需要在基础设施方面进行额外投资才能容纳它们。

另一种选择是选择绿色激光器，它比红外激光器具有更高的铜吸收率。因此，获得的零件具有更好的性能并且参数设置更容易确定。然而，配备这种激光器的机器仍然很少见，价格昂贵，并且通常在打印量大小方面受到限制。

最后，一些市场参与者研究了铜本身的成分。通过在铜颗粒（例如石墨烯）上涂覆涂层，可以改善能量吸收。然而，这会改变金属的热性能和电性能，这对于生产所需零件来说可能存在问题。

因此，使用400W激光机克服打印铜挑战的可能性似乎是有限的。面对这一观察结果，AFU进行了两年的研究，以找到在EOS M290 400W 3D打印机上使用CuCrZr合金的理想参数设置。

3D打印CuCrZr冷却器

AFU铜版打印

在2021年投资了一台新的金属机器EOS M290 400W后，AFU开始使用纯铜进行测试。如果生产的演示部件令人满意，具有良好的表面光洁度和良好的尺寸精度，那么集成管道的部件则不会给出相同的结果。事实上，金相检查显示了上述所有局限性。注意到孔隙率太大，导致无法制造防水部件。最终可以在400W的机器上用红外激光打印出性能良好的铜吗？

然后，AFU开始测试1kW机器，并对由CuCp（商业纯铜）40μm标准制成的多个部件进行表征。密度更好，结果令人满意。然而，对于这家法国公司来说，投资这种解决方案的成本太高了。然后，她问自己当前机器的参数问题，并开始努力在不同参数之间找到适当的平衡。

有四个因素直接影响增材制造中铜的熔化：层厚度、激光扫描速度、激光功率和矢量之间的距离。与其他金属（例如TA6V钛或AlSi10Mg）相比，这四个参数之间的平衡更难找到。

随后，AFU对所用粉末的粒径、化学成分、激光融合时材料的行为、增材制造的粉末供应商等进行了多项研究。根据非常精确的实验室控制要求（粉末的表观密度和填充密度、粉末的化学成分、粉末的粒度、零件的化学成分、牵引力和电气的控制）进行了大量的测试电导率）。由两家不同的粉末供应商测试了两种制造层厚度——20微米和40微米。

经过几次打印后，AFU在其400W机器上达到了预期的结果。她解释说：“我们能够通过稳定且可重复的工艺生产防水部件，其冶金性能与棒材、板材、线材等中的CuCrZr相当。我们是法国唯一一家在标准机器上以40µm尺寸进行此操作的公司。例如，EOS M400 1kW上提供的CuCrZr专门采用80μm尺寸。”

编译整理：3dnatives