重点解析：铜材料的直接打印问题

铜材料，很奇葩！

针对铜材料的直接打印问题，笔者根据目前掌握的资料总结了几点，然而这实在有点太专业了，而且极不利于公众号的传播。学这个专业的同学应该给笔者发个红包。

SLM可以愉快的打印不锈钢、钛合金和铝合金，有的已经飞向了太空，有的已经植入了人体，然而对于铜的打印，却存在很大的困难，以至于一旦有点突破就会划破天“寂”。前段时间德国亚琛弗劳恩霍夫激光技术研究所（激光技术的天堂）一段绿激光SLM的新闻刷爆了各大公众号，他们的新方法实现了铜材料的高效打印，不管你对此有没有感觉，但这确实是很大的突破，这在之前是从来没有过的。

上天

进人体

铜具有非常高的导热性、导电性以及延展性，被广泛地应用于电气、轻工、建筑、机械制造、国防工业等领域。

铜的应用领域

但也就是它的这些特点造成了它的直接打印很困难。

划重点

1.铜对1064nm波段的激光吸收率太低

2.铜的导热性太好

3.铜熔体的粘度太低

01 低吸收率

目前SLM所采用的是1064nm波长的激光，绝大多数的金属材料对该波长的激光具有很高的吸收率，而铜材料，很奇葩！

不同波长铜的吸收率

如图所示，在1064nm波长下铜的吸收率只有为2-3％，因此，激光束能量的97-98％被反射了，不仅不会加热材料，反射的激光还可能对设备元器件造成极大的损害（振镜的偏转镜片就是铜做的）。弗劳恩霍夫激光技术研究所在早期的研究中，通过高功率输入来解决激光吸收率低的问题，他们将激光器替换为1000瓦，并将激光调整为极均匀分布的光束；与此同时，优化了惰性气体控制系统并对整个装置进行了改造，以防止高能量输入造成的干扰，测试的结果比较令人满意，工件密度接近100％。然而实际上单纯的提高功率并不能有效的解决铜难以打印的问题，因为在打印过程中它还存在导热性太好、熔体粘度太低的问题。

02 高导热性

高导热性是影响铜材料打印的主要因素。材料的吸收率会随着温度升高而增加，当激光高功率输入后，铜粉迅速熔化，激光的吸收率增加，熔体温度进一步升高，而恰恰铜的导热率又非常好，热量迅速传到周围粉末，导致无法形成平整规则的熔道，而且随着打印的进行，底层的已凝固部分还可能发生重熔，加重了不稳定情况的发生。

导热太快

03 低粘度

理想的SLM熔池应该是光滑均匀的，但这对于铜材料来说很困难，低粘度是另一重要原因。激光在熔池前端不断熔化粉末形成新的熔池，最好的情况是熔池粘度足够大防止熔液四处流动，可铜的粘度太低，以至于激光划过了一条线，线的周围布就满了“雪花”（因为四处流动的熔液没有足够的热量让周围的粉末完全熔化，导致周围产生熔渣，这便是熔体的过冲和吹出）。

不同金属熔体的表面张力与粘度

太活泼。。。

铜材料低的吸收率导致常规的SLM设备无法使其完全熔化，而高导热性和低粘度导致无法形成平整的表面。

弗劳恩霍夫做了什么

为了获得更均匀的熔池动力学，构建高密度零件，并获得其他更好的效果，弗劳恩霍夫激光技术研究所这次采用了515nm的连续激光器，之所以称之为绿激光，是因为该波段处于可见光而且恰好是绿光的波段，激光器最大输出功率为400瓦。它所带来的好处就是激光吸收率大大提高，而且采用的功率值可以很低。

这看起来确实很炫酷，绿激光SLM可在当前的珠宝设计领域使用比传统技术更高效和可重复的方式生产复杂结构，与EBM相比，可获得更高的细节分辨率和更高的生产效益。而且绿色激光不仅适用于铜，还适用于珠宝行业的有色金属和贵金属（金银什么的）。但是，笔者还没搞清楚，绿激光怎么避免材料本身就存在的高导热率和低粘度问题，而且他们自身也表示仍有许多工艺和系统开发方面的障碍需要克服，对使用新波长的过程需要有更深入的了解。笔者也在不断探索中。

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原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：重点解析：铜材料的直接打印问题