純銅は、熱伝導率と電気伝導率が高いため、エレクトロニクスや電力生産で広く使用されている材料です。 対応するアプリケーションには、電気伝導性を高めるために完全に高密度の材料と組み合わせた複雑な形状が含まれることがよくあります。 このような用途では、付加製造 (AM) が新しい設計に十分であるように思われます。
より正確には、レーザー粉末層核融合 (L-PBF) 技術によって提供される高精度と空間分解能は、非常に複雑な形状を作成し、プロセスでの材料の無駄を減らすのに特に適しているようです。 ただし、レーザー赤外線レーザー放射下での銅粉末の高い反射率と高い熱伝導率により、従来の L-PBF 法によって低多孔性の純銅材料を製造することは依然として現実的な技術的問題です。
銅粉の粉体特性
銅は優れた熱伝導性、電気伝導性、優れた耐食性と延性を備えており、金属系では、銅は幅広いソースと低コストを備えており、電気および熱材料、生物医学、など。 銅はレーザー光に対する反射率が高く、波長が 1060 nm を超えるレーザーでは反射率が 90% 以上、波長が 515 nm のレーザーでは吸収率が 60% 以上です。 この場合、銅のこれらの特性は、アディティブ マニュファクチャリング技術の処理に課題をもたらします。 銅は比較的高い熱伝導率を持っています。 成形プロセス中に、熱が溶融領域に急速に伝達されるため、局所的な温度勾配が高くなると、層のカール、層間剥離、部分的な部品の破損などのプロセスの欠陥が発生しやすくなります。 さらに、銅の延性が高いため、成形部品から残留粉末を除去してリサイクルすることが困難になります。 また、銅粉は表面活性が高く、酸化しやすい性質があります。 銅粉には特別な取り扱いと保管が必要です。
銅の高い熱伝導率とレーザー光の高い反射の制限により、銅粉末積層造形技術の成形プロセスを制御することが難しくなり、成形プロセスが困難になります。 現在、銅の 3D プリントの研究と応用は、他の一般的な金属材料に遅れをとっています。 典型的な構造と機能の統合材料である銅は、幅広い積層造形のニーズがあり、3D 印刷業界の研究のホットスポットです。
従来のレーザー パウダー ベッド フュージョン フォーミング 銅の技術的困難
レーザー選択溶融技術の熱源はレーザー光です。 レーザーに対する銅の反射率が高いため、成形プロセス中にレーザー エネルギーの大部分が反射されて光学システムに戻されますが、銅粉末によって吸収されるエネルギーはごくわずかです。 Xi岩は完全に溶けており、部品に気孔や亀裂などの欠陥が生じやすく、レーザー選択溶融銅の成形が困難です。 現在、銅のレーザー選択溶融および成形の研究分野では、関連する研究は主に部品の密度の向上に焦点を当てています。
初期の研究は、レーザー機器などのハードウェア設備によって制限されていました。 成形工程では、レーザーで銅粉を完全に溶かすことが難しく、緻密な部品を作ることが困難でした。 レーザー技術の継続的な開発により、レーザー機器の性能は継続的に改善され、高出力を使用して部品の密度を高めることができます。 しかし、光学系に戻ったレーザーは光学部品に損傷を与えるため、一部の研究者は、銅粉末の表面を修正し、レーザー波長を短くするなどの方法で、銅の高反射率を改善できると提案しました。 初期のレーザー選択溶融成形装置は、出力が低く、安定性が低く、ビーム品質の低いレーザーを使用していたため、銅粉を完全に溶融することは困難でした。 バインダーとして銅粉に添加できるのは、低融点またはレーザー吸収率の高い合金粉のみです。 レーザー スキャンの下で、バインダーが溶融して液相を形成し、それが銅粉末粒子間の細孔を満たし、固化して焼結を実現します。部品の準備。 この方法を「間接焼結法」といいます。 この方法で部品全体の完全な印刷を実現できますが、一部の関連研究者は、得られた部品の密度が低いことを発見しました。
学界では、南京航空宇宙大学の Gu Dongdong が、最大出力 1 KW の CO2 レーザーを使用し、プレアロイ CuSn 粉末をバインダーとして、CuP を脱酸剤として使用して、Cu と CuSn と CuP 粉末を焼結し、緻密な材料を準備しました。 82% の銅部品。 唐Yら。 200 W レーザーを使用して Cu と Cu3P 粉末を結合剤としてプレアロイ金属粉末 Cu3P と共にレーザー焼結し、最終的に密度 76% の部品を準備しました。 さらに、Shenghua 3D などの国内メーカーも、間接 3D 印刷と銅材料の形成を探求し、ブレークスルーを達成しました。
要約すると、初期の関連研究は、レーザー出力とビーム品質の影響によってまだ制限されていることがわかります。これにより、準備された部品の密度が低くなり、成形品質が低下します。 これには、レーザー光の銅の吸収率の難しさを克服し、安定した成形条件を生成するために、高出力で高品質のレーザーを使用して、レーザー選択溶融および銅部品の成形の品質と性能を向上させる必要があります。
レーザー技術の継続的な発展に伴い、レーザーの安定性とビーム品質も継続的に改善されており、高ビーム品質、高安定性、高出力を備えた一部のレーザー機器が使用されています。 一部の研究者は、このタイプの装置で実験を行い、部品の密度が大幅に改善されることを発見しました。 ライコフPA等。 Pro DM125 装置を使用して、さまざまなプロセス パラメータで純銅サンプルを調製しました。 レーザー出力 200 W、スキャン速度 100 mm/s、ライン間隔 0.12 mm、層厚 0.05 mm の条件下で、純銅サンプルの密度は88.1パーセントが得られました。 銅のサンプル。 池小路TT 他 1KWの高出力シングルモードファイバーレーザーSLM装置を使用し、レーザー出力800W、走査速度300mm/sの条件で、密度96.6パーセントの純銅サンプルを取得し、走査距離の影響を研究しましたワークの品質の影響によると、スキャン距離が約 0.1 mm のときに、得られるサンプルの密度が最も高くなることがわかります。 Colopi M等。 同じレーザー SLM 装置を使用して、97% を超える密度の純銅サンプルを調製しました。 Jadhav SD等。 高出力ファイバーレーザー装置を使用して、740-1120J/mm3 のエネルギー密度のプロセス条件下で最大 98% の密度のサンプルを取得しました。
成形部品の高密度化は、レーザー出力を上げて成形プロセスを最適化することで実現できますが、レーザーが反射して光学システムに戻り、光学コーティングが破壊され、レーザーがさらに損傷します。 したがって、レーザーのビーム品質の向上とレーザー出力の増加のみに依存することは、効果的かつ実行可能な解決策ではありません。 この問題を解決する効果的な方法は、銅の反射率をレーザー出力に合わせて下げることだけです。 銅は、515nm 未満の波長で 60% 以上のレーザー吸収率を持っているためです。 したがって、レーザーの波長を短くし、レーザーへの銅の吸収率を高めることが、銅のレーザー選択成形を実現するための鍵となります。
グリーンレーザー
銅のレーザー光の反射率が高いという問題を解決するために、一部の海外研究機関では、可視波長域で動作する新たに開発された高出力レーザー光源の使用を開始し、波長 515nm (緑色レーザー) のレーザー装置の使用を試みました。 ) 実験用。 レーザーと銅のエネルギー結合が改善されました。
2017 年、ドイツの Fraunhofer Institute for Laser Technology の研究者が率先して、純銅のグリーン レーザー印刷の調査を開始しました。 彼らは、純銅または銅合金用のグリーンレーザー選択的レーザー溶融 (SLM) システムを開発しました。 3Dプリンティング、その技術は「Green SLM」と名付けられました。
2022 年 11 月、Trumpf (TRUMP) は最新の 3D プリンターである TruPrint 5000 とグリーン レーザー技術をフランクフルト国際 Formnext 展示会で実演しました。 2021 年、TRUMP は 3 kW の高出力連続グリーン ディスク レーザーを発売しました。 この製品の平均出力は 3 キロワットと高く、現在のグリーン レーザー シリーズの中で最も強力であり、銅やアルミニウムなどの高反射材料、特にリチウム レーザーの溶接に非常に適していると報告されています。新エネルギー車用バッテリーに代表されるバッテリー業界。 、トルンプ グリーン レーザー (1000-3000 W) は、最大 120 層の銅箔溶接を実現でき、スパッタはほとんどなく、浸透深さは正確で制御可能です。 さらに、高出力の緑色光は、純銅材料の積層造形- 3Dプリンティングのアプリケーションにも優れた利点をもたらします。
2018 年、島津製作所 (日本) は、高輝度で 100 ワットの電力を生成できる BLUE IMPACT ブルー インパクト ダイオード レーザーを商品化しました。 この製品は、日本の国家プロジェクトの一環として、島津製作所が日本の大阪大学と協力して開発したものです。 BLUE IMPACT レーザーは、日亜化学工業株式会社 (日本) の多くの窒化ガリウム (GaN) 青色レーザー ダイオードを組み合わせており、2006 年以来効率が 2 倍になり、出力パワーが桁違いに増加しています。 Shimadzu の 450nm 青色ダイオード レーザーの主な用途は、銅材料の 3D プリントです。
前述のグリーンレーザーは、1960年代から1980年代にかけて発見されました。 当時、人々はさまざまな非線形結晶材料を使用して、共振器内周波数倍増 Nd:YAG レーザーを実行し、緑色の光源を得ていました。 1990年代には、長寿命、高信頼性、小型、高効率などの利点を持つ高出力・高繰り返し率の全固体グリーンレーザーが前例のない発展を遂げました。 国産半導体レーザーの品質向上と海外半導体レーザーの価格低下に伴い、国産全固体高出力グリーンレーザーの研究も大きく進歩した。
グリーン レーザーを使用すると、溶接用途で銅との結合が向上することが証明されています。 実際、緑色の波長 (λ=532 または 515 nm) は、固体状態だけでなく液体状態でも、純銅により容易に吸収されます。 対応する吸収率は、固体状態で 40 パーセントから 60 パーセント、液体状態で 25 パーセントから 50 パーセントであると予想されます。 ドイツ光子技術研究所の研究結果によると、銅が 20 度の室温で固体状態にある場合、緑色光帯域の吸収率は約 40% です。 代わりに、約 5% 減少しました。 つまり、銅が溶けた後、緑色光の吸収がわずかに減少します。 この機能により、安定した小さな穴と、銅の加工時にほぼゼロのスパッタを実現できます。 これは、赤外線レーザー溶接に対するグリーン レーザーの明らかな利点です。 したがって、L-PBF銅でのグリーンレーザーの普及を促進することが、現在の研究作業の主な目標です。
ブルーレーザー
レーザーと銅のエネルギー結合を改善する 2 つ目の方法は、青色レーザー光源を使用することです。したがって、波長 450 nm の高出力青色ダイオード レーザーも、銅のレーザー 3D 印刷の有力な候補です。
純銅と Cu-6Sn 合金の研究で、Hummel らは 青色レーザー光に対する銅の吸収率は 515 ～ 530 nm よりもさらに高く、導電性溶接状態では吸収率が 80% にもなることが指摘されていますが、515 nm では 60% です。 ただし、高出力がすでに開発中であるにもかかわらず、既存の青色レーザー ダイオードはまだ明るさと利用可能な集束ビーム径が制限されており、レーザー溶接にはより高速なスキャン速度が必要になるため、L-PBF での適用の可能性が制限されています。
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△ 銅、金、アルミニウムなどの材料は、他の波長のレーザー光よりも青色レーザー光をよく吸収します。 NUBURU/NASA 1969 による画像
2022 年 5 月、Antarctic Bear は、高速押出 (HSE) 3D 印刷技術の背後にある OEM メーカーである Essentium と、産業用レーザーのスペシャリストである NUBURU が協力して、問題を解決できる新しい青色レーザーベースの金属 3D プリンターを開発したことを知りました。銅/金/アルミニウム/ステンレス鋼およびその他の金属の従来の金属 3D プリント プロセスにおける簡単な反射と困難な成形という問題点。 新しいレーザー金属 3D 印刷機は、NUBURU 独自の青色レーザー技術を統合し、ワイヤ供給の形で材料を処理できると報告されているため、指向性エネルギー堆積 (DED) の原理で動作すると推測できます。 さらに、NUBURU は、青色レーザー技術が競合他社よりも最大 10 倍高速な 3D 印刷を可能にし、金属を非常に高密度で印刷できると主張しています。
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△NUBURUブルーレーザー。 写真提供：NUBURU.
高出力青色レーザー技術に焦点を当てた別の会社である NUBURU は、工業生産ラインを開発し、エネルギー貯蔵、電気自動車、3D 印刷の市場を開発するために 2,000 万ドルを調達しました。 レーザークラッディングとレーザー金属蒸着 (LMD) は、原材料を融点まで加熱して表面に付着させる 2 つの用途です。 NUBURU によると、同社の青色レーザー技術の利点により、ステンレス鋼への銅のクラッディングが可能になります (逆もまた同様です)。 産業用青色レーザーは、銅金属を層ごとに堆積できます。 この利点は、レーザー金属堆積付加製造プロセス (LMD) にまで及びます。 金、銅、アルミニウム、その他の反射金属の場合、青色レーザーは赤外線レーザーよりも 10 倍高速で、より高い品質を実現できます。
ホッキョクグマのまとめ
上記の研究は、グリーン レーザーとグリーン レーザーの両方が高反射金属材料の 3D プリントに適した光源として使用できること、および純銅材料の 3D プリントが関連する問題をうまく解決し、高密度を達成できることを証明しています。 しかし、これら2つのレーザーのコストは現状では依然として高く、緑色/青色レーザーの改良と低コスト化は今後の課題です。 レーザー 3D 印刷技術が純銅材料に大規模に適用できれば、3D 印刷銅材料の市場規模はさらに拡大すると予想されます。
