순동은 높은 열 및 전기 전도성으로 인해 전자 및 전력 생산에 널리 사용되는 재료입니다. 해당 응용 분야에는 종종 전기 전도성을 향상시키기 위해 완전히 조밀한 재료와 결합된 복잡한 형상이 포함됩니다. 이러한 애플리케이션의 경우 적층 제조(AM)가 새로운 설계에 충분해 보입니다.
보다 정확하게는 L-PBF(Laser Powder Bed Fusion) 기술이 제공하는 높은 정확도와 공간 분해능은 매우 복잡한 형상을 만들고 프로세스에서 재료 낭비를 줄이는 데 특히 적합한 것으로 보입니다. 그러나 레이저 적외선 레이저 방사 하에서 구리 분말의 높은 반사율과 높은 열전도율로 인해 전통적인 L-PBF 방법으로 다공성이 낮은 순수 구리 재료를 제조하는 것은 여전히 실질적인 기술적 문제입니다.
구리 분말의 분말 특성
동은 열전도성, 전기전도성이 우수하고 내식성 및 연성이 좋으며 금속계에서 동은 원료의 범위가 넓고 원가가 저렴하여 전기 및 열재료, 바이오의약, 등. . 구리는 레이저 광에 대한 반사율이 높아 1060nm 이상의 파장을 갖는 레이저의 경우 90% 이상의 반사율, 515nm의 파장을 갖는 레이저의 경우 60% 이상의 흡수율을 보입니다. 이 경우 구리의 이러한 특성은 적층 제조 기술 처리에 문제를 야기합니다. 구리는 상대적으로 열전도율이 높습니다. 성형 공정 중에 열이 용융 영역으로 빠르게 전달되어 국부적 열 구배가 높아지면 레이어 말림, 박리 및 부품 부분 파손과 같은 공정 결함이 쉽게 발생할 수 있습니다. 또한 구리의 높은 연성은 성형 부품에서 잔류 분말을 제거하고 재활용하기 어렵게 만듭니다. 또한 구리 분말은 표면 활성이 높고 산화되기 쉽습니다. 구리 가루는 특별한 취급 및 보관이 필요합니다.
구리의 높은 열전도율과 레이저 광의 높은 반사율의 한계로 인해 구리 분말 적층 제조 기술의 성형 공정을 제어하기 어렵고 성형 공정이 어렵습니다. 현재 3D 프린팅 구리의 연구 및 적용은 다른 일반적인 금속 재료보다 뒤처져 있습니다. 일반적인 구조 기능 통합 재료인 구리는 광범위한 적층 제조 요구 사항을 가지고 있으며 3D 프린팅 산업의 연구 핫스팟입니다.
구리를 형성하는 전통적인 레이저 파우더 베드 퓨전의 기술적 어려움
레이저 선택적 용융 기술의 열원은 레이저 빔입니다. 레이저에 대한 구리의 높은 반사율로 인해 성형 공정 중에 대부분의 레이저 에너지가 광학 시스템으로 다시 반사되고 에너지의 작은 부분만이 구리 분말에 흡수됩니다. Xi 암석은 완전히 녹았고 부품은 기공 및 균열과 같은 결함이 발생하기 쉬워 레이저 선택 용융 구리를 형성하는 데 어려움을 겪습니다. 현재 구리의 레이저 선택적 용융 및 성형 연구 분야에서 관련 연구는 주로 부품 밀도 향상에 중점을 두고 있습니다.
초기 연구는 레이저 장비와 같은 하드웨어 시설에 의해 제한되었습니다. 성형 과정에서 레이저로 구리 분말을 완전히 녹이는 것이 어려웠고 치밀한 부품을 준비하는 것이 어려웠습니다. 레이저 기술의 지속적인 발전으로 레이저 장비의 성능이 지속적으로 향상되었으며 고출력을 사용하여 부품 밀도를 높일 수 있습니다. 그러나 광학 시스템으로 돌아온 레이저는 광학 부품을 손상시킬 것이고 일부 연구자들은 구리 분말의 표면을 수정하고 레이저 파장을 줄이는 것과 같은 방법이 구리의 높은 반사율을 향상시킬 수 있다고 제안했습니다. 초기 레이저 선택적 용융 성형 장비는 저출력, 불량한 안정성 및 낮은 빔 품질의 레이저를 사용했기 때문에 구리 분말의 완전한 용융을 달성하기 어려웠습니다. 융점이 낮거나 레이저 흡수율이 높은 합금 분말만 바인더로 구리 분말에 첨가할 수 있습니다. 레이저 스캐닝에서 바인더가 녹아 구리 분말 입자 사이의 기공을 채우고 응고되어 소결을 달성하는 액상을 형성합니다. 부품 준비. 이 방법을 "간접 소결법"이라고 합니다. 이러한 방식으로 전체 부품의 완전한 프린팅을 달성할 수 있지만, 일부 관련 연구자들은 획득된 부품의 밀도가 낮다는 것을 발견했습니다.
학계에서 Nanjing University of Aeronautics and Astronautics의 Gu Dongdong은 최대 출력이 1KW인 CO2 레이저, 바인더로 사전 합금된 CuSn 분말 및 탈산소제로 CuP를 사용하여 Cu + CuSn + CuP 분말을 소결하여 밀도가 높은 레이저를 준비했습니다. 82% 구리 부품. Tang Yet al. 200W 레이저를 사용하여 사전 합금된 금속 분말 Cu3P를 바인더로 사용하여 Cu와 Cu3P 분말을 레이저 소결하고 최종적으로 밀도가 76%인 부품을 준비했습니다. 또한 Shenghua 3D와 같은 국내 제조업체도 간접 3D 인쇄 및 구리 재료 형성을 탐색하고 획기적인 발전을 이루었습니다.
요약하면, 초기 관련 연구는 레이저 출력 및 빔 품질의 영향으로 인해 여전히 제한되어 있으며, 이는 준비된 부품의 밀도를 낮추고 성형 품질을 저하시킵니다. 이것은 구리의 레이저 광 흡수율의 어려움을 극복하고 안정적인 성형 조건을 생성하여 레이저 선택 용융 및 구리 부품 성형의 품질과 성능을 향상시키기 위해 더 높은 출력과 더 나은 품질의 레이저를 사용해야 합니다.
레이저 기술의 지속적인 발전으로 레이저의 안정성과 빔 품질도 지속적으로 개선되었으며 빔 품질, 안정성 및 고출력이 높은 일부 레이저 장비가 사용되었습니다. 일부 연구자들은 이러한 유형의 장비를 실험하고 부품 밀도가 크게 향상되었음을 발견했습니다. Lykov PA et al. Pro DM125 장비를 사용하여 공정 매개변수가 다른 순수 구리 샘플을 준비했습니다. 레이저 출력 200W, 스캔 속도 100mm/s, 줄 간격 0.12mm, 층 두께 0.05mm의 조건에서 밀도가 88.1%를 얻었다. 구리 샘플. Ikeshoji TT et al. 1KW 고출력 단일 모드 파이버 레이저 SLM 장비를 사용하여 레이저 출력 800W 및 스캔 속도 300mm/s의 조건에서 밀도가 96.6%인 순수 구리 샘플을 얻고 스캔 거리의 영향을 연구했습니다. 가공물 품질의 영향에 따라 스캐닝 거리가 약 0.1mm 일 때 얻은 샘플의 밀도가 가장 높은 것으로 나타났습니다. Colopi M et al. 동일한 레이저 SLM 장비를 사용하여 밀도가 97% 이상인 순수 구리 샘플을 준비했습니다. Jadhav SD 외. 고출력 광섬유 레이저 장비를 사용하여 740-1120J/mm3의 에너지 밀도 공정 조건에서 최대 98% 밀도의 샘플을 얻었습니다.
레이저 출력을 높이고 성형 공정을 최적화하여 성형 부품의 치밀화를 달성할 수 있지만 광학 시스템으로 다시 반사되는 레이저는 광학 코팅을 파괴하고 레이저를 더욱 손상시킵니다. 따라서 레이저의 빔 품질을 개선하고 레이저 출력을 높이는 데에만 의존하는 것은 효과적이고 실행 가능한 솔루션이 아닙니다. 레이저 출력에 대한 구리의 반사율을 줄이는 것만이 이 문제를 해결하는 효과적인 방법입니다. 구리는 515nm 미만의 파장에 대해 60% 이상의 레이저 흡수율을 갖기 때문입니다. 따라서 레이저 파장을 줄이고 레이저에 대한 구리의 흡수율을 높이는 것이 구리의 레이저 선택적 성형을 실현하는 핵심입니다.
녹색 레이저
구리의 레이저 빛 반사율이 높은 문제를 해결하기 위해 일부 해외 연구기관에서는 가시광선 파장대에서 작동하는 새로 개발된 고출력 레이저 소스를 사용하기 시작했고, 515nm 파장의 레이저 장비(그린 레이저 ) 실험용. 향상된 레이저-구리 에너지 커플링.
2017년 독일 프라운호퍼 레이저 기술연구소 연구원들이 순동의 그린레이저 프린팅 연구에 앞장섰다. 그들은 순수 구리 또는 구리 합금을 위한 녹색 레이저 선택적 레이저 용융(SLM) 시스템을 개발했습니다. 3D 프린팅, 이 기술은 "Green SLM"으로 명명되었습니다.
2022년 11월 Trumpf(TRUMP)는 프랑크푸르트 국제 Formnext 전시회에서 최신 3D 프린터인 TruPrint 5000 및 녹색 레이저 기술을 시연했습니다. 2021년에 TRUMP는 3kW 고출력 연속 녹색 디스크 레이저를 출시했습니다. 이 제품의 평균 출력은 3킬로와트로 현재 그린레이저 시리즈 중 가장 강력한 출력을 나타내는 것으로 알려져 있으며, 특히 리튬에서 구리, 알루미늄 등 고반사 소재 용접에 매우 적합한 것으로 알려졌다. 신에너지 자동차 동력 배터리로 대표되는 배터리 산업. , Trumpf 녹색 레이저(1000-3000W)는 최대 120층의 동박 용접을 달성할 수 있으며 스패터가 거의 없으며 침투 깊이가 정확하고 제어 가능합니다. 또한 고출력 녹색광은 순수 구리 소재 - 3D 인쇄의 적층 제조 응용 분야에서 뛰어난 이점을 가지고 있습니다.
2018년 Shimadzu Corporation(일본)은 고휘도에서 100W의 전력을 생산할 수 있는 BLUE IMPACT 블루 임팩트 다이오드 레이저를 상용화했습니다. 이 제품은 일본의 국가 프로젝트의 일환으로 Shimadzu Corporation이 일본 오사카 대학과 협력하여 개발했습니다. BLUE IMPACT 레이저는 Nichia Chemical Corporation(일본)의 많은 질화갈륨(GaN) 청색 레이저 다이오드를 결합하여 2006년 이후 효율성을 두 배로 높이고 출력을 한 자릿수 증가시킵니다. Shimadzu의 450nm 청색 다이오드 레이저의 핵심 응용 분야는 구리 재료의 3D 인쇄입니다.
위에서 언급한 녹색 레이저는 1960년대에서 1980년대 사이에 발견되었습니다. 당시 사람들은 녹색 광원을 얻기 위해 공동 내 주파수 배가 Nd:YAG 레이저를 수행하기 위해 다양한 비선형 결정 재료를 사용했습니다. 1990년대에는 장수명, 고신뢰성, 소형화, 고효율의 장점을 지닌 고출력 고반복률의 전고체 그린레이저가 유례없는 발전을 이루었다. 국산 반도체 레이저의 품질 향상과 외산 반도체 레이저의 가격 인하로 국산 전고체 고출력 녹색 레이저 연구도 큰 진전을 이뤘다.
녹색 레이저의 사용은 용접 응용 분야에서 구리에 더 잘 결합하는 것으로 입증되었습니다. 실제로 녹색 파장(λ= 532 또는 515nm)은 고체 상태뿐만 아니라 액체 상태에서도 순수한 구리에 더 쉽게 흡수됩니다. 해당 흡수율은 고체 상태에서 40~60%, 액체 상태에서 25~50%로 예상됩니다. 독일 광자 기술 연구소에서 제공한 연구 결과에 따르면 구리가 실온 20도에서 고체 상태일 때 녹색 빛 밴드의 흡수율은 약 40%입니다. 대신에 약 5% 정도 떨어졌습니다. 즉, 구리가 녹은 후 녹색 빛의 흡수가 약간 감소합니다. 이 기능은 구리를 가공할 때 안정적인 작은 구멍과 거의 제로 스패터를 달성하는 데 도움이 됩니다. 이것은 적외선 레이저 용접에 비해 녹색 레이저의 명백한 이점입니다. 따라서 L-PBF 구리에 대한 녹색 레이저의 광범위한 사용을 촉진하는 것이 현재 연구 작업의 주요 목표입니다.
블루 레이저
레이저-구리 에너지 커플링을 개선할 수 있는 두 번째 가능한 방법은 청색 레이저 소스를 사용하는 것이므로 450nm 파장의 고전력 청색 다이오드 레이저도 구리의 레이저 3D 프린팅을 위한 강력한 후보입니다.
순수 구리 및 Cu{0}}Sn 합금에 대한 연구에서 Hummel et al. 청색 레이저 광에 대한 구리의 흡수율은 515~530nm보다 훨씬 높고 전도성 용접 상태에서는 흡수율이 80%로 높은 반면 515nm에서는 60%라고 지적했습니다. 그러나 더 높은 출력이 이미 개발 중이지만 기존 청색 레이저 다이오드는 여전히 밝기와 사용 가능한 초점 빔 직경이 제한되어 있어 L-PBF에 적용할 수 있는 가능성이 제한됩니다.
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△ 구리, 금, 알루미늄 등의 재료는 다른 파장의 레이저 광보다 청색 레이저 광을 더 잘 흡수합니다. NUBURU/NASA 1969를 통한 이미지
2022년 5월, Antarctic Bear는 고속 압출(HSE) 3D 프린팅 기술의 원래 장비 제조업체인 Essentium과 산업용 레이저 전문업체인 NUBURU가 팀을 이루어 새로운 파란색 레이저 기반 금속 3D 프린터를 개발했다는 사실을 알게 되었습니다. 구리/금/알루미늄/스테인리스 및 기타 금속의 전통적인 금속 3D 프린팅 공정에서 쉬운 반사 및 어려운 성형의 문제점. 새로운 레이저 메탈 3D프린팅기는 누부루의 독자적인 블루레이저 기술을 접목해 와이어 피딩 형태로 소재를 가공할 수 있어 DED(Directed Energy Deposition) 원리로 작동하는 것으로 유추할 수 있다. 또한 NUBURU는 블루 레이저 기술이 경쟁사보다 최대 10배 빠른 3D 프린팅을 가능하게 하는 동시에 매우 높은 밀도로 금속을 프린팅할 수 있다고 주장합니다.
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△NUBURU 블루 레이저. NUBURU를 통한 사진.
고출력 블루 레이저 기술에 중점을 둔 또 다른 회사인 NUBURU는 산업 생산 라인을 개발하고 에너지 저장, 전기 자동차 및 3D 프린팅 시장을 개발하기 위해 2천만 달러를 모금했습니다. 레이저 클래딩 및 레이저 금속 증착(LMD)은 원료가 융점까지 가열되어 표면에 접착되는 두 가지 응용 분야입니다. NUBURU에 따르면 블루 레이저 기술의 장점으로 스테인리스 스틸에 구리 클래딩(또는 그 반대)이 가능합니다. 산업용 청색 레이저는 구리 금속을 층별로 증착할 수 있습니다. 이러한 이점은 레이저 금속 증착 적층 제조 공정(LMD)으로 확장됩니다. 금, 구리, 알루미늄 및 기타 반사 금속의 경우 파란색 레이저는 적외선 레이저보다 10배 더 빠르고 더 높은 품질을 제공할 수 있습니다.
북극곰 요약
위의 연구는 녹색 레이저와 녹색 레이저 모두 반사율이 높은 금속 재료의 3D 인쇄에 선호되는 광원으로 사용될 수 있으며 순수 구리 재료의 3D 인쇄는 관련 문제를 잘 해결하고 더 높은 밀도를 달성할 수 있음을 증명합니다. 그러나 이 두 레이저의 원가는 현재 여전히 고가이며, 녹색/청색 레이저의 개선 및 원가절감은 여전히 향후 해결해야 할 과제이다. 순수 구리 소재에 레이저 3D 프린팅 기술을 대규모로 적용할 수 있다면 3D 프린팅 구리 소재 시장 규모는 더욱 확대될 것으로 예상된다.
