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技術(shù)前沿

上海交大采用國產(chǎn)裝備開展鋁合金藍(lán)色激光定向能量沉積研究

激光制造網(wǎng) 來源:3D打印技術(shù)參考2023-03-04 我要評論(0 )   

在《工藝綜述:近十種鋁合金3D打印工藝匯總,闡述技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用方向》一文中,3D打印技術(shù)參考提到采用激光能量沉積鋁合金多有不便,這是因?yàn)殇X合金高導(dǎo)熱、高反射且易...

在《工藝綜述:近十種鋁合金3D打印工藝匯總,闡述技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用方向》一文中,3D打印技術(shù)參考提到采用激光能量沉積鋁合金多有不便,這是因?yàn)殇X合金高導(dǎo)熱、高反射且易氧化,還有一個重要原因在于當(dāng)前使用的主要光源為紅外激光(1064nm波段)。近日,筆者發(fā)現(xiàn)上海交大的研究人員發(fā)表了一篇名為《Blue laser directed energy deposition of aluminum with synchronously enhanced efficiency and quality》的文章,意味著該校正在開展使用藍(lán)色激光3D打印鋁合金的研究。

當(dāng)前激光沉積技術(shù)所使用的紅外激光在沉積鋼、鎳、鈦合金等材料時具有較高的效率,但對于鋁、銅的沉積則面臨成形性差和強(qiáng)度低的挑戰(zhàn)。除了眾所周知的高反射特性,熔池中晶粒的特性也受到溫度梯度和凝固生長速率的影響。具有高斯分布的紅外激光下的高溫梯度會導(dǎo)致柱狀晶粒生長,這對組件的性能不利。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劇烈波動,低能量轉(zhuǎn)換效率會導(dǎo)致孔隙的形成,從而降低鋁等高反射金屬的可成形性。

對于高反射金屬的3D打印,一方面可以通過添加光熱吸收成分,還可以尋找更合適的光源,而后者在近年來不斷受到關(guān)注。事實(shí)上,2022年美國3D打印機(jī)制造商Essentium與工業(yè)激光器專家NUBURU宣布正在開發(fā)一種基于藍(lán)色激光的新型金屬3D打印機(jī),其采用送絲形式,實(shí)現(xiàn)定向能量沉積3D打印。

NUBURU藍(lán)色激光

作為一種新型激光源,藍(lán)色激光結(jié)構(gòu)緊湊且使用壽命長。對于傳統(tǒng)的高反射率金屬,藍(lán)色激光的吸收率高于紅外區(qū)域的吸收率。2017年,大阪大學(xué)研究人員開發(fā)了一種250W高功率藍(lán)色激光器(445nm),并顯著提高了激光在鋼焊接中的吸收率;2020年,華威大學(xué)研究人員使用NUBURU生產(chǎn)的500W二極管藍(lán)色激光器焊接AISI和316L不銹鋼,發(fā)現(xiàn)藍(lán)色激光焊接可以減少焊接區(qū)域的不連續(xù)性,并具有優(yōu)異的機(jī)械性能。除此之外,還有研究人員開發(fā)了高功率藍(lán)色激光用于銅焊接的研究。

鋁合金和復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用于工業(yè),迫切需要通過定向能量沉積工藝制造的高質(zhì)量零件。上海交大的研究人員首先應(yīng)用納米TiB2包覆AlSi2Mg形成復(fù)合材料,然后采用10kW的大功率藍(lán)光沉積設(shè)備用于實(shí)驗(yàn)。

3D打印技術(shù)參考關(guān)注了其所使用的設(shè)備,為LDM 4030,經(jīng)查詢是由中科煜宸開發(fā),光源確實(shí)有光纖/藍(lán)光的模式可供選擇。上海交大的研究人員通過實(shí)驗(yàn)和模擬對AlSi10Mg/TiB2復(fù)合材料在紅外和藍(lán)光激光下的成形性能進(jìn)行了定量分析。

LDM 4030(來自中科煜宸)

LDM 4030設(shè)備參數(shù)(來自中科煜宸)


藍(lán)色和紅外激光下單軌的加工參數(shù)

不同激光熔化參數(shù)下熔池的激光源模型和實(shí)驗(yàn)橫向截面:(a)高斯紅外激光束,以及P=900W和v = (b)4 mm/s、(c)6 mm/s和(d)10mm/s的紅外激光產(chǎn)生的熔池的能量密度;(e) 平頂藍(lán)色激光束,以及藍(lán)色激光在P = 900W和v = (f) 4mm/s、(g) 6mm/s和(h)10mm/s時產(chǎn)生的熔池

結(jié)果表明,藍(lán)色激光在AlSi10Mg/TiB2復(fù)合材料的可打印性方面優(yōu)于紅外激光器。

美國在推動采用藍(lán)光金屬3D打印方面實(shí)際上動作不斷,除上述提到的開發(fā)激光沉積裝備之外,美國空軍在2022年通過“小企業(yè)創(chuàng)新研究”(SBIR)計(jì)劃授予了NUBURU第二階段合同,用來開發(fā)基于藍(lán)色激光的區(qū)域3D打印技術(shù)。

美國空軍希望NUBURU能夠開發(fā)出一種新的基于藍(lán)光技術(shù)、能獲得高金屬密度、微米級分辨率、零后處理,同時將構(gòu)建速度提升100倍的新金屬3D打印解決方案。具體可查詢3D打印技術(shù)參考的往期文章。

總的來說,藍(lán)色激光對金屬3D打印具有特殊的意義,但受限于激光技術(shù)的發(fā)展,國內(nèi)在該領(lǐng)域還未有太多報(bào)道。同時,基于藍(lán)光的金屬3D打印,也成為了技術(shù)細(xì)分發(fā)展的重要方向之一,它將特別適合于一些特殊產(chǎn)品的制造。

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