Tembaga murni adalah bahan yang banyak digunakan dalam elektronik dan produksi daya karena konduktivitas termal dan listriknya yang tinggi. Aplikasi yang sesuai sering kali melibatkan geometri kompleks yang dikombinasikan dengan material yang sangat padat untuk meningkatkan konduktivitas listrik. Untuk aplikasi tersebut, manufaktur aditif (AM) tampaknya cukup untuk desain baru.
Lebih tepatnya, akurasi tinggi dan resolusi spasial yang ditawarkan oleh teknologi Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) tampaknya sangat cocok untuk membuat bentuk yang sangat kompleks dan mengurangi pemborosan material dalam prosesnya. Namun, karena reflektivitas yang tinggi dan konduktivitas termal yang tinggi dari bubuk tembaga di bawah radiasi laser infra merah laser, masih merupakan masalah teknis yang nyata untuk membuat bahan tembaga murni berporositas rendah dengan metode L-PBF tradisional.
Sifat bubuk bubuk tembaga
Tembaga memiliki konduktivitas termal yang sangat baik, konduktivitas listrik, dan ketahanan korosi dan keuletan yang baik, dan dalam sistem logam, tembaga memiliki berbagai sumber dan biaya rendah, dan dapat digunakan secara luas di berbagai bidang seperti bahan listrik dan termal, biomedis, dll. . Tembaga memiliki reflektivitas yang tinggi terhadap sinar laser, dengan reflektivitas lebih dari 90 persen untuk laser dengan panjang gelombang lebih dari 1060 nm, dan tingkat penyerapan lebih dari 60 persen untuk laser dengan panjang gelombang 515 nm. Dalam hal ini, karakteristik tembaga tersebut membawa tantangan dalam pemrosesan teknologi manufaktur aditif. Tembaga memiliki konduktivitas termal yang relatif tinggi. Selama proses pembentukan, panas akan dengan cepat dipindahkan ke area lelehan, menghasilkan gradien termal lokal yang lebih tinggi dapat dengan mudah menyebabkan cacat proses seperti lapisan keriting, delaminasi, dan kegagalan sebagian bagian. Selain itu, keuletan tembaga yang tinggi akan menyulitkan untuk menghilangkan dan mendaur ulang sisa bubuk dari bagian yang terbentuk. Selain itu, bubuk tembaga memiliki aktivitas permukaan yang tinggi dan mudah teroksidasi. Serbuk tembaga membutuhkan penanganan dan penyimpanan khusus.
Keterbatasan konduktivitas termal tembaga yang tinggi dan pantulan sinar laser yang tinggi membuat sulit untuk mengontrol proses pembentukan teknologi manufaktur aditif bubuk tembaga, dan proses pembentukannya sulit. Saat ini, penelitian dan penerapan tembaga pencetakan 3D tertinggal dari beberapa bahan logam umum lainnya. Tembaga, sebagai bahan integrasi struktural-fungsional yang khas, memiliki berbagai kebutuhan manufaktur aditif dan merupakan pusat penelitian di industri pencetakan 3D.
Kesulitan Teknis Laser Powder Bed Fusion Membentuk Tembaga Tradisional
Sumber panas dari teknologi peleburan selektif laser adalah sinar laser. Reflektivitas tembaga yang tinggi terhadap laser menyebabkan sebagian besar energi laser dipantulkan kembali ke sistem optik selama proses pembentukan, dan hanya sebagian kecil energi yang diserap oleh bubuk tembaga. Xi batu benar-benar meleleh, dan bagian-bagiannya rentan terhadap cacat seperti pori-pori dan retakan, yang menyulitkan pembentukan tembaga peleburan selektif laser. Saat ini, di bidang penelitian peleburan selektif laser dan pembentukan tembaga, penelitian terkait terutama berfokus pada peningkatan kerapatan bagian.
Penelitian awal dibatasi oleh fasilitas perangkat keras seperti peralatan laser. Selama proses pembentukan, sulit bagi laser untuk melelehkan bubuk tembaga sepenuhnya, dan sulit untuk menyiapkan bagian yang padat. Dengan perkembangan teknologi laser yang berkelanjutan, kinerja peralatan laser terus ditingkatkan, dan daya tinggi dapat digunakan untuk meningkatkan kerapatan bagian. Namun, laser yang dikembalikan ke sistem optik akan merusak komponen optik, dan kemudian beberapa peneliti mengusulkan metode seperti memodifikasi permukaan bubuk tembaga dan mengurangi panjang gelombang laser dapat meningkatkan reflektifitas tembaga yang tinggi. Peralatan pembentuk peleburan selektif laser awal menggunakan laser dengan daya rendah, stabilitas buruk, dan kualitas sinar rendah, sehingga sulit untuk mencapai peleburan sempurna bubuk tembaga. Hanya bubuk paduan dengan titik leleh rendah atau tingkat penyerapan laser tinggi yang dapat ditambahkan ke bubuk tembaga sebagai pengikat. Di bawah pemindaian laser, pengikat meleleh untuk membentuk fase cair yang mengisi pori-pori antara partikel bubuk tembaga dan mengeras untuk mencapai persiapan sintering bagian. Metode ini disebut "metode sintering tidak langsung". Meskipun pencetakan lengkap seluruh bagian dapat dicapai dengan cara ini, beberapa peneliti terkait telah menemukan bahwa bagian yang diperoleh kurang padat.
Di dunia akademis, Gu Dongdong dari Nanjing University of Aeronautics and Astronautics menggunakan laser CO2 dengan daya output maksimum 1 KW, bubuk CuSn pra-paduan sebagai pengikat dan CuP sebagai deoksidizer untuk mensinter Cu plus bubuk CuSn plus CuP untuk menyiapkan padat 82 persen bagian tembaga. Tang Y dkk. menggunakan laser 200 W untuk laser sinter Cu plus bubuk Cu3P dengan bubuk logam pra-paduan Cu3P sebagai pengikat, dan akhirnya menyiapkan bagian dengan kerapatan 76 persen . Selain itu, pabrikan dalam negeri seperti Shenghua 3D juga telah melakukan eksplorasi dalam pencetakan 3D tidak langsung dan membentuk bahan tembaga, serta melakukan terobosan.
Singkatnya, dapat dilihat bahwa penelitian terkait awal masih dibatasi oleh pengaruh daya laser dan kualitas sinar, yang membuat kerapatan bagian yang disiapkan rendah dan kualitas pembentuknya buruk. Ini membutuhkan penggunaan daya yang lebih tinggi dan laser berkualitas lebih baik untuk mengatasi kesulitan tingkat penyerapan tembaga dari sinar laser dan menghasilkan kondisi pembentukan yang stabil, sehingga dapat meningkatkan kualitas dan kinerja peleburan selektif laser dan membentuk bagian tembaga.
Dengan pengembangan teknologi laser yang berkelanjutan, stabilitas dan kualitas pancaran laser juga terus ditingkatkan, dan beberapa peralatan laser dengan kualitas pancaran tinggi, stabilitas tinggi, dan daya tinggi telah digunakan. Beberapa peneliti bereksperimen dengan jenis peralatan ini dan menemukan bahwa kerapatan komponen sangat meningkat. Lykov PA dkk. menggunakan peralatan Pro DM125 untuk menyiapkan sampel tembaga murni dengan parameter proses yang berbeda. Pada kondisi daya laser 200 W, kecepatan pemindaian 100 mm/s, jarak baris 0,12 mm, dan ketebalan lapisan 0,05 mm, sampel tembaga murni dengan kepadatan 88,1 persen diperoleh. Sampel tembaga. Ikeshoji TT dkk. menggunakan peralatan SLM laser serat single-mode daya tinggi 1KW, di bawah kondisi daya laser 800 W dan kecepatan pemindaian 300 mm / s, memperoleh sampel tembaga murni dengan kepadatan 96,6 persen, dan mempelajari efek jarak pemindaian pada pembentukan Menurut pengaruh kualitas benda kerja, ditemukan bahwa ketika jarak pemindaian sekitar 0,1 mm, kepadatan sampel yang diperoleh adalah yang tertinggi. Colopi M dkk. menggunakan peralatan SLM laser yang sama untuk menyiapkan sampel tembaga murni dengan kepadatan lebih besar dari 97 persen. Jadhav SD dkk. menggunakan peralatan laser serat berkekuatan tinggi untuk mendapatkan sampel dengan kerapatan hingga 98 persen dalam kondisi proses kerapatan energi 740-1120J/mm3.
Meskipun pemadatan bagian yang terbentuk dapat dicapai dengan meningkatkan daya laser dan mengoptimalkan proses pembentukan, laser yang dipantulkan kembali ke sistem optik akan merusak lapisan optik dan selanjutnya merusak laser. Oleh karena itu, ini bukan solusi yang efektif dan layak untuk hanya mengandalkan peningkatan kualitas sinar laser dan peningkatan daya laser. Hanya mengurangi reflektifitas tembaga menjadi daya laser merupakan cara yang efektif untuk mengatasi masalah ini. Karena tembaga memiliki tingkat penyerapan laser lebih dari 60 persen untuk panjang gelombang kurang dari 515nm. Oleh karena itu, mengurangi panjang gelombang laser dan meningkatkan laju penyerapan tembaga ke laser adalah kunci untuk mewujudkan pembentukan tembaga selektif laser.
laser hijau
Untuk mengatasi masalah pantulan sinar laser tembaga yang tinggi, beberapa lembaga penelitian asing mulai menggunakan sumber laser berdaya tinggi yang baru dikembangkan yang bekerja dalam rentang panjang gelombang yang terlihat, dan mencoba menggunakan peralatan laser dengan panjang gelombang 515nm (laser hijau ) untuk percobaan. Kopling energi laser-tembaga yang ditingkatkan.
Pada 2017, para peneliti di Fraunhofer Institute for Laser Technology di Jerman memimpin dalam mengeksplorasi pencetakan laser hijau dari tembaga murni. Mereka mengembangkan sistem peleburan laser selektif laser hijau (SLM) untuk paduan tembaga atau tembaga murni. Pencetakan 3D, teknologinya diberi nama "Green SLM".
Pada November 2022, Trumpf (TRUMP) mendemonstrasikan printer 3D terbaru-TruPrint 5000 dan teknologi laser hijau di pameran Frankfurt International Formnext. Pada tahun 2021, TRUMP meluncurkan laser cakram hijau kontinu berdaya tinggi 3 kW. Dilaporkan bahwa daya output rata-rata dari produk ini mencapai 3 kilowatt, yang merupakan daya terkuat dalam seri laser hijau saat ini, dan sangat cocok untuk mengelas bahan yang memantulkan cahaya tinggi seperti tembaga dan aluminium, terutama di litium industri baterai diwakili oleh baterai tenaga kendaraan energi baru. , Trumpf green laser (1000-3000W) dapat menghasilkan hingga 120 lapisan pengelasan foil tembaga, hampir tidak ada percikan, dan kedalaman penetrasinya presisi dan dapat dikontrol. Selain itu, lampu hijau berkekuatan tinggi juga memiliki keunggulan luar biasa dalam penerapan manufaktur aditif bahan tembaga murni - 3pencetakan D.
Pada tahun 2018, Shimadzu Corporation (Jepang) mengkomersialkan laser dioda dampak biru BLUE IMPACT, yang dapat menghasilkan daya 100 watt pada kecerahan tinggi. Produk ini dikembangkan oleh Shimadzu Corporation bekerja sama dengan Universitas Osaka di Jepang sebagai bagian dari proyek nasional di Jepang. Laser BLUE IMPACT menggabungkan banyak dioda laser biru gallium nitride (GaN) dari Nichia Chemical Corporation (Jepang), menggandakan efisiensi sejak 2006 dan meningkatkan daya keluaran dengan urutan besarnya. Aplikasi utama untuk laser dioda biru 450nm Shimadzu adalah pencetakan 3D dari bahan tembaga.
Laser hijau yang disebutkan di atas ditemukan selama tahun 1960 hingga 1980-an. Pada saat itu, orang menggunakan berbagai bahan kristal nonlinier untuk melakukan laser Nd:YAG penggandaan frekuensi intracavity untuk mendapatkan sumber cahaya hijau. Pada 1990-an, semua laser hijau solid-state dengan daya tinggi dan tingkat pengulangan tinggi, yang memiliki keunggulan umur panjang, keandalan tinggi, ukuran kecil, dan efisiensi tinggi, telah mencapai perkembangan yang belum pernah terjadi sebelumnya. Dengan peningkatan kualitas laser semikonduktor dalam negeri dan pengurangan harga laser semikonduktor asing, penelitian laser hijau berdaya tinggi semua-padat-negara dalam negeri juga telah membuat kemajuan besar.
Penggunaan laser hijau telah terbukti berpasangan lebih baik dengan tembaga dalam aplikasi pengelasan. Bahkan, panjang gelombang hijau (λ=532 atau 515 nm) lebih mudah diserap oleh tembaga murni tidak hanya dalam keadaan padat tetapi juga dalam keadaan cair. Tingkat penyerapan yang sesuai diharapkan antara 40 persen dan 60 persen dalam keadaan padat dan 25 persen sampai 50 persen dalam keadaan cair. Menurut hasil penelitian yang diberikan oleh Institut Teknologi Foton Jerman, ketika tembaga dalam keadaan padat pada suhu kamar 20 derajat, tingkat penyerapan pita lampu hijau sekitar 40 persen; Sebaliknya, turun sekitar 5 persen. Artinya, penyerapan cahaya hijau sedikit berkurang setelah tembaga dilelehkan. Fitur ini membantu mencapai lubang kecil yang stabil dan hampir tidak ada percikan saat mengerjakan tembaga. Ini adalah keuntungan nyata dari laser hijau dibandingkan pengelasan laser inframerah. Oleh karena itu, mempromosikan penggunaan laser hijau secara luas pada tembaga L-PBF adalah tujuan utama dari pekerjaan penelitian saat ini.
laser biru
Cara kedua yang mungkin untuk meningkatkan penggandengan energi laser-tembaga adalah dengan menggunakan sumber laser biru, oleh karena itu, laser dioda biru berdaya tinggi pada panjang gelombang 450 nm juga merupakan kandidat kuat untuk pencetakan laser 3D dari tembaga.
Dalam studi paduan tembaga murni dan Cu-6Sn, Hummel et al. menunjukkan bahwa tingkat penyerapan tembaga untuk sinar laser biru bahkan lebih tinggi dari 515-530 nm, dan tingkat penyerapan setinggi 80 persen dalam keadaan pengelasan konduktif, sedangkan pada 515 nm 60 persen . Namun, meskipun kekuatan yang lebih tinggi sedang dalam pengembangan, dioda laser biru yang ada masih terbatas dalam kecerahan dan diameter berkas terfokus yang tersedia, yang membatasi kemungkinan penerapannya di L-PBF, karena ini membutuhkan kecepatan pemindaian yang lebih tinggi untuk pengelasan laser.
gambar
△ Tembaga, emas, aluminium, dan bahan lainnya menyerap sinar laser biru lebih baik daripada panjang gelombang sinar laser lainnya. Gambar melalui NUBURU/NASA 1969
Pada Mei 2022, Beruang Antartika mengetahui bahwa Essentium, produsen peralatan asli di balik teknologi pencetakan 3D Ekstrusi Berkecepatan Tinggi (HSE), dan NUBURU, spesialis laser industri, telah bekerja sama untuk mengembangkan printer 3D logam berbasis laser biru baru yang dapat Memecahkan titik-titik rasa sakit dari refleksi yang mudah dan pembentukan yang sulit dalam proses pencetakan 3D logam tradisional dari tembaga/emas/aluminium/baja tahan karat dan logam lainnya. Dilaporkan bahwa mesin cetak 3D logam laser yang baru akan mengintegrasikan teknologi laser biru milik NUBURU dan dapat memproses bahan dalam bentuk pengumpanan kawat, sehingga kami dapat menyimpulkan bahwa mesin tersebut beroperasi berdasarkan prinsip deposisi energi terarah (DED). Selain itu, NUBURU mengklaim bahwa teknologi laser biru dapat memungkinkan pencetakan 3D hingga 10 kali lebih cepat daripada pesaing, sekaligus mencetak logam dengan kepadatan sangat tinggi.
gambar
△Laser biru NUBURU. Foto melalui NUBURU.
NUBURU, perusahaan lain yang berfokus pada teknologi laser biru berkekuatan tinggi, telah mengumpulkan $20 juta untuk mengembangkan lini produksi industri dan mengembangkan pasar untuk penyimpanan energi, kendaraan listrik, dan pencetakan 3D. Kelongsong laser dan pengendapan logam laser (LMD) adalah dua aplikasi di mana bahan baku dipanaskan hingga titik lelehnya dan ditempelkan ke permukaan. Menurut NUBURU, keunggulan teknologi laser birunya memungkinkan pelapisan tembaga ke baja tahan karat (dan sebaliknya). Laser biru industri dapat menyimpan logam tembaga lapis demi lapis. Keuntungan ini meluas ke proses pembuatan aditif deposisi logam laser (LMD). Untuk emas, tembaga, aluminium, dan logam reflektif lainnya, laser biru dapat membangun lebih cepat daripada laser inframerah 10 kali lebih cepat dan memberikan kualitas yang lebih tinggi.
ringkasan beruang kutub
Penelitian di atas membuktikan bahwa laser hijau dan laser hijau dapat digunakan sebagai sumber cahaya pilihan untuk pencetakan 3D dari bahan logam yang sangat reflektif, dan pencetakan 3D dari bahan tembaga murni dapat menyelesaikan masalah terkait dengan baik dan mencapai kepadatan yang lebih tinggi. Namun, biaya kedua laser ini masih tinggi saat ini, dan peningkatan serta pengurangan biaya laser hijau/biru masih menjadi masalah yang harus diselesaikan di masa mendatang. Diperkirakan bahwa jika teknologi pencetakan 3D laser dapat diterapkan pada bahan tembaga murni dalam skala besar, ukuran pasar bahan tembaga pencetakan 3D diharapkan akan semakin diperluas.
