Являясь ключевым материалом в секторе металлических порошков, медь и ее сплавы благодаря своей исключительной электропроводности, теплопроводности и коррозионной стойкости занимают незаменимое место в высокотехнологичных-областях производства, таких как аэрокосмическая промышленность, электроника, электромобили и т. д. Однако применение медного порошка в лазерной плавке в слое порошка (LPBF), основной технологии аддитивного производства металлов, уже давно сталкивается с основной проблемой: чрезвычайно низкой эффективностью взаимодействия энергии между традиционными инфракрасными лазерами и медным материалом. В последние годы, по мере развития технологии зеленого лазера и углубленной оптимизации решений для красного лазера, отечественные компании внедрили дифференцированные технологические подходы, основанные на этих различных длинах волн, предлагая отрасли разнообразные решения.
Сложность аддитивного производства медного порошка связана с характеристиками его материала: высокой отражательной способностью и высокой теплопроводностью. Для традиционных лазеров ближнего-инфракрасного диапазона с длиной волны около 1064 нм коэффициент отражения твердой меди превышает 95 %, а это означает, что подавляющее большинство лазерной энергии отражается напрямую и не может быть эффективно использовано для плавления порошка. Даже если часть энергии поглощается, высокая теплопроводность меди, достигающая 390 Вт/(м·К) (примерно в пять раз больше, чем у нержавеющей стали), вызывает быстрое рассеивание тепла, что приводит к нестабильной ванне расплава и высокой восприимчивости к таким дефектам, как пористость, непроваривание и разбрызгивание. Суть решения этой проблемы заключается в использовании физического принципа, согласно которому поглощательная способность меди зависит от длины волны. Исследования показывают, что при комнатной температуре поглощающая способность меди для инфракрасного лазера с длиной волны 1064 нм составляет всего 4–5%, тогда как для зеленого света с длиной волны 515–532 нм она подскакивает примерно до 40%, то есть увеличение почти на порядок. Столь значительная разница в поглощательной способности обусловлена разными механизмами взаимодействия между фотонами разных длин волн и свободными электронами в меди. Фотоны с более короткой длиной волны (зеленые) обладают более высокой энергией и легче поглощаются электронами меди и преобразуются в тепло, что существенно повышает эффективность использования энергии лазера.
Решение технических проблем:
1. Проблема низкой поглощательной способности. Низкая поглощающая способность меди для красного лазерного света является основным физическим ограничением. Эта проблема решается посредством разработки полной-системы с высоким-сопротивлением отражения, включающей глубокую настройку от архитектуры оборудования до параметров процесса для оптимизации эффективности передачи энергии.
2. Узкое технологическое окно. Красная лазерная печать медного порошка требует более точного контроля процесса. Эта проблема решается путем использования -собственноразработанного процесса производства порошка GHA (газового распыления) для производства медного порошка высокой-чистоты со сферичностью более или равной 95 % и содержанием кислорода.<200 ppm, providing a material foundation for process optimization.
3. Проблема управления температурным режимом: высокая теплопроводность меди приводит к быстрому рассеиванию тепла. Благодаря «глубокой синергии» между порошком, оборудованием и процессом был достигнут прорыв в стабилизации теплопроводности в диапазоне 400-410 Вт/(м·К), что позволило вернуть тепловые характеристики компонентов, напечатанных на 3D-принтере, на идеальный уровень, типичный для обычной чистой меди.
Сценарии применения. Решение с красным лазером особенно хорошо-подходит для применений, где первостепенное значение имеют ценовая чувствительность,-серийное производство деталей большого формата и чрезвычайно высокая теплопроводность, например пластины жидкостного охлаждения центров обработки данных, крупногабаритные-теплообменники и подложки для рассеивания тепла для силовой электроники.