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

　　相比钛合金、铝合金和不锈钢等金属3D打印材料，纯铜的3D打印应用几乎是当前最少的，一些供应商甚至给出了纯铜3D打印市场并不大的结论。纯铜3D打印多年来一直非常关注，且在工艺技术方面获得了一定发展。对于其为什么打印困难已经不必再多讨论，本文内容，3D打印技术参考主要给出当前纯铜等难以3D打印的材料在近几年的最新工艺发展情况。

　　纯铜的3D打印工艺最开始由激光粉末床打印开始探索，由于纯铜对主流的LPBF用激光器的波长具备极高的反射率，不仅不容易熔化，甚至有可能损伤打印机光学器件；通常，基于近红外激光打印纯铜，不得不更改设备结构，配备更高功率的激光器（如1kw）等

　　短波长相比近红外激光对金属具有更高的吸收率，因此成为打印高反射金属的更佳选择。纯铜对绿激光（500nm-559nm）的吸收率接近40%，相当于常规SLM用红外激光的8倍。

　　如今，基于绿色激光的LPBF设备已经实现商业化。通快公司于2018年率先推出了第一款绿激光3D打印机，配备515nm的绿光激光器，打印的纯铜实现了100％IACS的电导率和99.9％的致密度。

　　2023年，国内在绿激光3D打印设备商业化方面取得重要进展。希禾增材推出XH-M160G设备，成为国内首家、全球第二家推出商业化绿激光LPBF设备的厂商。采用自研532nm单模连续绿光光纤激光器（500W/700W/1000W可选），希禾增材实现了超过100％IACS的电导率和超过99.6％的致密度。2024年，希禾增材推出了打印尺寸达350*350*500mm的中大成型尺寸的绿激光SLM 3D打印机XH-M350G。据3D打印技术参考了解，希禾增材还将陆续研发上市XH-M600G、XH-M650G、XH-M800G等大尺寸、多激光产品，以匹配更多应用场景的需求。

　　除希禾增材外，SLM金属3D打印设备商汉邦激光，则于2024年TCT亚洲展期间展示了HBD S400G绿激光金属增材制造设备，成型尺寸可达400×350×400mm，使国产绿光SLM打印方案进一步丰富。

　　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，在实际工艺流程中只应该要依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，有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，从上述进展能够准确的看出，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，这在某种程度上预示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，从而能够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可提供几何自由度、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上的质量较差。

　　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。

　　因此，电子束3D打印纯铜的最近发展，便是解决了表面过于粗糙的问题，这将进一步释放纯铜3D打印的应用。GE对这项技术寄予厚望，认为其将该改变游戏规则。

　　纯铜具备优秀能力的电性能和热性能，在电子设备、热管理系统和航空航天工业拥有巨大应用空间。与金属铸造、焊接和机械加工等传统制造方法相比，3D打印的最吸引客户的是其可以制造更优化和更复杂的零件，而且不需要用额外的工具。

　　纯铜的3D打印实际上也区别于其他主流3D打印材料，诞生了细分赛道。这一赛道实际上也应归于难打印材料一类，如金、银及其他难熔合金，使用绿、蓝激光具有更加好的成型优势。