上海交大采用国产装备开展铝合金蓝色激光定向能量沉积研究

在《工艺综述：近十种铝合金3D打印工艺汇总，阐述技术特点及应用方向》一文中，3D打印技术参考提到采用激光能量沉积铝合金多有不便，这是因为铝合金高导热、高反射且易氧化，还有一个重要原因在于当前使用的主要光源为红外激光（1064nm波段）。近日，笔者发现上海交大的研究人员发表了一篇名为《Blue laser directed energy deposition of aluminum with synchronously enhanced efficiency and quality》的文章，意味着该校正在开展使用蓝色激光3D打印铝合金的研究。

当前激光沉积技术所使用的红外激光在沉积钢、镍、钛合金等材料时具有较高的效率，但对于铝、铜的沉积则面临成形性差和强度低的挑战。除了众所周知的高反射特性，熔池中晶粒的特性也受到温度梯度和凝固生长速率的影响。具有高斯分布的红外激光下的高温梯度会导致柱状晶粒生长，这对组件的性能不利。此外，由于在低激光功率下有限的熔合及高激光功率下熔池的剧烈波动，低能量转换效率会导致孔隙的形成，从而降低铝等高反射金属的可成形性。

对于高反射金属的3D打印，一方面可以通过添加光热吸收成分，还可以寻找更合适的光源，而后者在近年来不断受到关注。事实上，2022年美国3D打印机制造商Essentium与工业激光器专家NUBURU宣布正在开发一种基于蓝色激光的新型金属3D打印机，其采用送丝形式，实现定向能量沉积3D打印。

NUBURU蓝色激光

作为一种新型激光源，蓝色激光结构紧凑且使用寿命长。对于传统的高反射率金属，蓝色激光的吸收率高于红外区域的吸收率。2017年，大阪大学研究人员开发了一种250W高功率蓝色激光器（445nm），并显著提高了激光在钢焊接中的吸收率；2020年，华威大学研究人员使用NUBURU生产的500W二极管蓝色激光器焊接AISI和316L不锈钢，发现蓝色激光焊接可以减少焊接区域的不连续性，并具有优异的机械性能。除此之外，还有研究人员开发了高功率蓝色激光用于铜焊接的研究。

铝合金和复合材料已广泛应用于工业，迫切需要通过定向能量沉积工艺制造的高质量零件。上海交大的研究人员首先应用纳米TiB2包覆AlSi2Mg形成复合材料，然后采用10kW的大功率蓝光沉积设备用于实验。

3D打印技术参考关注了其所使用的设备，为LDM 4030，经查询是由中科煜宸开发，光源确实有光纤/蓝光的模式可供选择。上海交大的研究人员通过实验和模拟对AlSi10Mg/TiB2复合材料在红外和蓝光激光下的成形性能进行了定量分析。

LDM 4030（来自中科煜宸）

蓝色和红外激光下单轨的加工参数

不同激光熔化参数下熔池的激光源模型和实验横向截面：（a）高斯红外激光束，以及P=900W和v = （b）4 mm/s、（c）6 mm/s和（d）10mm/s的红外激光产生的熔池的能量密度;（e） 平顶蓝色激光束，以及蓝色激光在P = 900W和v = （f） 4mm/s、（g） 6mm/s和（h）10mm/s时产生的熔池

结果表明，蓝色激光在AlSi10Mg/TiB2复合材料的可打印性方面优于红外激光器。

美国在推动采用蓝光金属3D打印方面实际上动作不断，除上述提到的开发激光沉积装备之外，美国空军在2022年通过“小企业创新研究”（SBIR）计划授予了NUBURU第二阶段合同，用来开发基于蓝色激光的区域3D打印技术。

美国空军希望NUBURU能够开发出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。具体可查询3D打印技术参考的往期文章。

总的来说，蓝色激光对金属3D打印具有特殊的意义，但受限于激光技术的发展，国内在该领域还未有太多报道。同时，基于蓝光的金属3D打印，也成为了技术细分发展的重要方向之一，它将特别适合于一些特殊产品的制造。