纯铜3D打印2024最新技术进展：基于激光/电子束熔融和能量沉积

      纯铜的3D打印应用相比钛合金、铝合金和不锈钢等金属确实较少，这主要是由于纯铜在3D打印过程中面临的一些技术挑战。然而，近年来，随着技术的不断进步，纯铜的3D打印工艺也在不断发展，尤其是在绿光3D打印方面取得了商业化突破。

      绿光3D打印技术利用了纯铜对绿激光(500nm-559nm)较高的吸收率特性，相较于近红外激光，短波长的绿激光对金属且有更高的吸收率，这使得纯铜的熔化变得更为容易，且减少了对打印机光学器件的损伤。由于纯铜对绿激光的吸收率接近40%，大约是常规SLM用红外激光的8倍，因此绿光3D打印技术能够更有效地实现纯铜的3D打印。

      在绿光3D打印技术中，纯铜的粉末床熔融是一个重要步骤。通过将纯铜粉末铺设在工作台上，并利用绿激光器精确照射指定区域，实现纯铜粉末的选择性熔化，逐层累加直至完成整个模型的构建。这种方法可以制造出具有复杂几何形状和内部结构的纯铜部件，并且保留了纯铜的优异材料性能，如高导电性、高导热性和良好的机械强度。

      目前，绿光3D打印技术已经在纯铜的3D打印领域取得了商业化突破。一些厂商已经推出了基于绿光3D打印技术的纯铜3D打印机，并且这些打印机已经得到了广泛的应用。例如，希禾增材就推出了多款绿激光SLM3D打印机，其中包括打印尺寸达350350500mm的中大成型尺寸的绿激光SLM 3D打印机XH-M350G。这些打印机能够满足不同应用场景的需求，为纯铜的3D打印提供了更多可能性。

      总的来说，绿光3D打印技术为纯铜的3D打印提供了新的解决方案，使得纯铜的3D打印应用变得更加广泛和可行。随着技术的不断进步和应用的不断拓展，纯铜的3D打印将会迎来更多的发展机遇。

      2023年，国内在绿激光3D打印设备商业化方面取得了显著进展。希禾增材作为国内领先的3D打印技术提供商，成功推出了XH-M160G设备，成为国内首家、全球第二家推出商业化绿激光LPBF(激光粉末床熔融)设备的厂商。这款设备采用了自研的532nm单模连续绿光光纤激光器(500W/700W/1000W可选)，实现了超过100% IACS的电导率和超过99.6%的致密度，确保了打印出部件的高质量和高性能。

      到了2024年，希禾增材进一步扩大了产品线，推出了打印尺寸达350350500mm的中大成型尺寸的绿激光SLM(选择性激光熔化)3D打印机XH-M350G。这款设备不仅满足了更大尺寸部件的打印需求，还展示了希禾增材在绿激光3D打印技术方面的持续创新和突破。

       据3D打印技术参考了解，希禾增材并未止步于此，他们还将陆续研发上市XH-M600G、XH-M650G、XH-M800G等大尺寸、多激光产品，旨在进一步拓展绿激光3D打印技术的应用范围，满足更多不同行业和应用场景的需求。

       除了希禾增材外，另一家SLM金属3D打印设备商汉邦激光也在绿激光3D打印领域取得了重要进展。在2024年的TCT亚洲展期间，汉邦激光展示了HBD S400G绿激光金属增材制造设备，该设备的成型尺寸可达400x350x400mm，进一步丰富了国产绿光SLM打印方案。

      这些进展表明，国内在绿激光3D打印设备研发和商业化方面已经取得了重要突破，不仅提升了国内3D打印技术的整体水平，也为更多行业提供了高效、高质量的3D打印解决方案。随着技术的不断进步和应用场景的不断拓展，绿激光3D打印技术将在未来发挥更加重要的作用。

      纯铜对蓝色激光（400nm-500nm）的吸收率达到65%，相当于常规SLM用红外激光的13倍。当前，市场范围内尚没有基于蓝光的商业LPBF设备出现，仅有相关研究。

      首次报道采用蓝色激光打印纯铜，是由日本研究人员于2020年开展。国内方面，2021年3D打印技术参考关注到华南理工杨永强教授团队将1070nm的红外光纤激光器与450nm的蓝光半导体激光器相结合，实现红外/蓝光复合，既可以打印钛合金、铝合金、不锈钢等常规材料，也可以打印对红外光具有高反作用的金、银、纯铜等材料，在实际加工过程中只需要根据材料不同切换激光器即可。

      最新的进展是2022年美国空军“小企业创新研究”（SBIR）授予了蓝色激光专家NUBURU开发一种新的基于蓝光技术、能获得高金属密度、微米级分辨率、零后处理，同时将构建速度提升100倍的新金属3D打印解决方案。很明显这是一台基于蓝光的LPBF 3D打印机，相关报道也指出新的装备同时具有区域打印的能力。2023年，Nuburu与GE Additive签署联合技术协议，同样表达了采用蓝色激光开发区域LPBF设备的计划。

      蓝色激光在打印纯铜方面的潜力自然毋庸置疑，从上述进展可以看出，美国正在领导开展基于蓝光的粉末床熔融解决方案研发。

      2022年，Essentium与NUBURU宣布合作正在开发基于 送丝的蓝色激光能量设备。2023年5月，相关蓝色激光器已经交付。因此看来，相关设备的研发，还在进行当中。

      2022-2023年，加州大学使用送粉式蓝色激光能量沉积3D打印了纯铜材料，并进行了相关研究。

      国内方面，3D打印技术参考发现，雷佳增材推出了基于蓝色激光的送粉激光能量沉积增减材设备LASERADD-DED-500H。中科煜宸开发有可选光纤/蓝光的的LDM 4030。上海交大已采用后者装备开展了铝合金蓝色激光定向能量沉积研究。

      除此之外，国家层面似乎注意到了蓝色激光的巨大潜力。在2023年的“增材制造与激光制造”国家重点研发计划专项中，“制造用蓝光半导体激光器”赫然出现其中，这意味着用于增材制造的下一代激光光源得到了国家重视。

      采用电子束3D打印（EBM）纯铜，相比传统激光优势很大。纯铜实际上能吸收80%的电子束能量，但对近红外激光的反射率则达到了98%。此外，EBM运行的真空环境最大限度减少了铜材料对氧气的吸收，从而可以生产出高导电率的铜。氧气会降低铜的导电性，同时也会使元件变脆。除此之外，EBM能够提供几何自由度、高生产率和高导电性的结合。但是，电子束3D打印的最突出特点就是表面质量较差。

      3D打印技术参考根据GE Additive于2023年公布的一份电子束3D打印最新发展文件，其提出了一种被称为Point Melt的新扫描方式。这项将于2024年推出的新技术，将原有的线扫描替换为点扫描，并通过精确控制每个点的能量以及点与点之间的距离，可防止过多的热量传输。实现的结果是零件无论怎样摆放，每个面的粗糙度几乎一致，所打印的零件表面粗糙度分布在RA8-18μm之间，这个数据几乎跟激光SLM打印的零件纵向面一致。