النحاس النقي هو مادة مستخدمة على نطاق واسع في الإلكترونيات وإنتاج الطاقة بسبب الموصلية الحرارية والكهربائية العالية. غالبًا ما تشتمل التطبيقات المقابلة على أشكال هندسية معقدة جنبًا إلى جنب مع مواد كثيفة بالكامل لتعزيز التوصيل الكهربائي. بالنسبة لمثل هذه التطبيقات ، يبدو أن التصنيع الإضافي (AM) كافٍ للتصاميم الجديدة.
بتعبير أدق ، يبدو أن الدقة العالية والدقة المكانية التي توفرها تقنية Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) مناسبة تمامًا بشكل خاص لصنع أشكال معقدة للغاية وتقليل نفايات المواد في هذه العملية. ومع ذلك ، نظرًا للانعكاسية العالية والتوصيل الحراري العالي لمسحوق النحاس تحت إشعاع الليزر بالأشعة تحت الحمراء بالليزر ، لا يزال تصنيع مواد نحاسية نقية منخفضة المسامية باستخدام طريقة L-PBF التقليدية مشكلة تقنية حقيقية.
خصائص مسحوق النحاس
يتمتع النحاس بموصلية حرارية ممتازة ، وموصلية كهربائية ، ومقاومة جيدة للتآكل والليونة ، وفي النظام المعدني ، يحتوي النحاس على مجموعة واسعة من المصادر وتكلفة منخفضة ، ويمكن استخدامه على نطاق واسع في العديد من المجالات مثل المواد الكهربائية والحرارية ، والطب الحيوي ، إلخ. . يتمتع النحاس بانعكاسية عالية لضوء الليزر ، مع انعكاسية تزيد عن 90 في المائة بالنسبة لليزر بطول موجة أكبر من 1060 نانومتر ، ومعدل امتصاص يزيد عن 60 في المائة لليزر بطول موجي 515 نانومتر. في هذه الحالة ، تجلب خصائص النحاس هذه تحديات في معالجة تكنولوجيا التصنيع المضافة. يتمتع النحاس بموصلية حرارية عالية نسبيًا. أثناء عملية التشكيل ، سيتم نقل الحرارة بسرعة إلى منطقة الذوبان ، مما يؤدي إلى ارتفاع التدرجات الحرارية المحلية التي يمكن أن تؤدي بسهولة إلى عيوب في العملية مثل تجعيد الطبقة ، وتفريغ الطبقات ، وفشل جزئي. بالإضافة إلى ذلك ، فإن ليونة النحاس العالية ستجعل من الصعب إزالة وإعادة تدوير المسحوق المتبقي من الأجزاء المشكلة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن مسحوق النحاس له نشاط سطح مرتفع وسهل التأكسد. يتطلب مسحوق النحاس معالجة وتخزين خاصين.
القيود المفروضة على الموصلية الحرارية العالية للنحاس والانعكاس العالي لضوء الليزر تجعل من الصعب التحكم في عملية تشكيل تكنولوجيا تصنيع مسحوق النحاس المضافة ، وعملية التشكيل صعبة. في الوقت الحاضر ، يتخلف البحث عن الطباعة ثلاثية الأبعاد للنحاس وتطبيقها عن بعض المواد المعدنية الشائعة الأخرى. النحاس ، كمواد تكامل وظيفية هيكلية نموذجية ، لديه مجموعة واسعة من احتياجات التصنيع المضافة وهو نقطة بحث ساخنة في صناعة الطباعة ثلاثية الأبعاد.
الصعوبات الفنية لانصهار طبقة مسحوق الليزر التقليدية لتشكيل النحاس
مصدر الحرارة لتقنية الصهر الانتقائي بالليزر هو شعاع الليزر. تؤدي الانعكاسية العالية للنحاس إلى الليزر إلى انعكاس معظم طاقة الليزر مرة أخرى على النظام البصري أثناء عملية التشكيل ، ويمتص مسحوق النحاس جزءًا صغيرًا فقط من الطاقة. صخور Xi مذابة تمامًا ، والأجزاء عرضة للعيوب مثل المسام والشقوق ، مما يجلب صعوبات في تشكيل النحاس الانتقائي الذائب بالليزر. في الوقت الحاضر ، في مجال البحث عن الصهر الانتقائي بالليزر وتشكيل النحاس ، تركز الأبحاث ذات الصلة بشكل أساسي على تحسين كثافة الأجزاء.
كانت الأبحاث المبكرة محدودة بمرافق الأجهزة مثل معدات الليزر. أثناء عملية التشكيل ، كان من الصعب على الليزر أن يذوب مسحوق النحاس تمامًا ، وكان من الصعب تحضير الأجزاء الكثيفة. مع التطور المستمر لتكنولوجيا الليزر ، تم تحسين أداء معدات الليزر بشكل مستمر ، ويمكن استخدام الطاقة العالية لزيادة كثافة الأجزاء. ومع ذلك ، فإن عودة الليزر إلى النظام البصري ستؤدي إلى إتلاف المكونات الضوئية ، ثم اقترح بعض الباحثين أن طرقًا مثل تعديل سطح مسحوق النحاس وتقليل الطول الموجي بالليزر يمكن أن تحسن الانعكاس العالي للنحاس. استخدمت معدات تشكيل الصهر الانتقائي بالليزر المبكرة أشعة الليزر ذات الطاقة المنخفضة والاستقرار الضعيف وجودة الحزمة المنخفضة ، لذلك كان من الصعب تحقيق ذوبان مسحوق النحاس بالكامل. يمكن فقط إضافة مسحوق السبائك بنقطة انصهار منخفضة أو معدل امتصاص ليزر مرتفع إلى مسحوق النحاس كمواد رابطة. تحت المسح بالليزر ، يذوب الموثق ليشكل طورًا سائلًا يملأ المسام بين جزيئات مسحوق النحاس ويتصلب لتحقيق تحضير التكلس للأجزاء. هذه الطريقة تسمى "طريقة التلبيد غير المباشرة". على الرغم من أنه يمكن تحقيق الطباعة الكاملة للجزء بأكمله بهذه الطريقة ، فقد وجد بعض الباحثين ذوي الصلة أن الأجزاء التي تم الحصول عليها أقل كثافة.
في الأوساط الأكاديمية ، استخدم Gu Dongdong من جامعة نانجينغ للملاحة الجوية والملاحة الفضائية ليزر ثاني أكسيد الكربون بطاقة إنتاجية قصوى تبلغ 1 كيلو وات ، ومسحوق CuSn مسبوق السبائك كموثق و CuP كمزيل للأكسدة لتلبيد النحاس بالإضافة إلى مسحوق CuSn بالإضافة إلى CuP لتحضير مكثف كثيف 82 بالمائة أجزاء نحاسية. تانغ واي وآخرون. استخدم ليزر 200 واط لتلبيد الليزر مسحوق Cu بالإضافة إلى Cu3P مع مسحوق معدني مسبوق السبائك Cu3P كموثق ، وأعد أخيرًا جزءًا بكثافة 76 بالمائة. بالإضافة إلى ذلك ، قام المصنعون المحليون مثل Shenghua 3D باستكشافات في الطباعة ثلاثية الأبعاد غير المباشرة وتشكيل المواد النحاسية ، وحققوا اختراقات.
باختصار ، يمكن ملاحظة أن الأبحاث المبكرة ذات الصلة لا تزال محدودة بتأثير قوة الليزر وجودة الحزمة ، مما يجعل كثافة الأجزاء المعدة منخفضة وجودة التشكيل رديئة. وهذا يتطلب استخدام ليزر ذو طاقة أعلى وجودة أفضل للتغلب على صعوبة معدل امتصاص النحاس لضوء الليزر وإنتاج ظروف تشكيل مستقرة ، وذلك لتحسين جودة وأداء الصهر الانتقائي بالليزر وتشكيل أجزاء النحاس.
مع التطور المستمر لتكنولوجيا الليزر ، تم أيضًا تحسين استقرار وجودة أشعة الليزر بشكل مستمر ، وتم استخدام بعض معدات الليزر بجودة شعاع عالية واستقرار عالي وطاقة عالية. جرب بعض الباحثين هذا النوع من المعدات ووجدوا أن كثافة الأجزاء قد تحسنت بشكل كبير. ليكوف با وآخرون. تستخدم معدات Pro DM125 لإعداد عينات النحاس النقي بمعايير عملية مختلفة. في ظل ظروف قوة الليزر 2 0 0 W ، وسرعة المسح 1 0 0 مم / ثانية ، وتباعد الأسطر 0.12 مم ، وسماكة الطبقة 0.05 مم ، وعينات من النحاس النقي بكثافة تم الحصول على 88.1 في المئة. عينات النحاس. إيكيشوجي تي تي وآخرون. استخدمت معدات SLM الليزرية أحادية الوضع عالية الطاقة 1KW ، بشرط قوة الليزر 800 واط وسرعة المسح 300 مم / ثانية ، وحصلت على عينة نحاسية نقية بكثافة 96.6 في المائة ، ودراسة تأثير مسافة المسح عند التشكيل وفقًا لتأثير جودة قطعة العمل ، وجد أنه عندما تكون مسافة المسح حوالي 0.1 مم ، تكون كثافة العينة التي تم الحصول عليها هي الأعلى. كولوبي إم وآخرون. تستخدم نفس معدات الليزر SLM لإعداد عينات النحاس النقي بكثافة تزيد عن 97 بالمائة. Jadhav SD وآخرون. استخدام معدات ليزر من الألياف عالية القدرة للحصول على عينة بكثافة تصل إلى 98 بالمائة في ظل ظروف المعالجة لكثافة طاقة تبلغ 740-1120 جول / مم 3.
على الرغم من أنه يمكن تحقيق تكثيف الأجزاء المشكلة عن طريق زيادة قوة الليزر وتحسين عملية التشكيل ، فإن انعكاس الليزر مرة أخرى على النظام البصري سوف يدمر الطلاء البصري ويزيد من إتلاف الليزر. لذلك ، لا يعد الاعتماد فقط على تحسين جودة شعاع الليزر وزيادة طاقة الليزر حلاً فعالاً وغير عملي. فقط تقليل انعكاس النحاس إلى طاقة الليزر هو وسيلة فعالة لحل هذه المشكلة. لأن النحاس له معدل امتصاص بالليزر يزيد عن 60 بالمائة لأطوال موجية أقل من 515 نانومتر. لذلك ، فإن تقليل الطول الموجي بالليزر وزيادة معدل امتصاص النحاس لليزر هو المفتاح لتحقيق التشكيل الانتقائي بالليزر للنحاس.
الليزر الأخضر
من أجل حل مشكلة انعكاس النحاس العالي لضوء الليزر ، بدأت بعض المؤسسات البحثية الأجنبية في استخدام مصادر الليزر عالية الطاقة المطورة حديثًا والتي تعمل في نطاق الطول الموجي المرئي ، وحاولت استخدام معدات الليزر بطول موجة يبلغ 515 نانومتر (الليزر الأخضر) ) للتجارب. اقتران محسّن لطاقة النحاس والليزر.
في عام 2017 ، تولى باحثون في معهد فراونهوفر لتكنولوجيا الليزر في ألمانيا زمام المبادرة في استكشاف طباعة الليزر الأخضر للنحاس النقي. لقد طوروا نظام الليزر الأخضر الانتقائي للذوبان (SLM) للنحاس النقي أو سبائك النحاس. الطباعة ثلاثية الأبعاد ، تسمى التقنية "Green SLM".
في نوفمبر 2022 ، عرض Trumpf (TRUMP) أحدث طابعة ثلاثية الأبعاد - TruPrint 5000 وتقنية الليزر الأخضر في معرض فرانكفورت الدولي للفورمنيكست. في عام 2021 ، أطلقت شركة TRUMP ليزر القرص الأخضر المستمر عالي الطاقة بقدرة 3 كيلو واط. يُذكر أن متوسط طاقة الخرج لهذا المنتج يصل إلى 3 كيلووات ، وهو ما يمثل أقوى قوة في سلسلة الليزر الأخضر الحالية ، وهو مناسب جدًا للحام المواد عالية الانعكاس مثل النحاس والألمنيوم ، خاصة في الليثيوم صناعة البطاريات ممثلة ببطاريات طاقة مركبة تعمل بالطاقة الجديدة. ، يمكن أن يحقق الليزر الأخضر Trumpf (1000-3000 W) ما يصل إلى 120 طبقة من اللحام بالرقائق النحاسية ، دون تناثر تقريبًا ، كما أن عمق الاختراق دقيق ويمكن التحكم فيه. بالإضافة إلى ذلك ، يتمتع الضوء الأخضر عالي الطاقة أيضًا بمزايا بارزة في تطبيق التصنيع الإضافي للمواد النحاسية النقية - 3 الطباعة D.
في عام 2018 ، قامت شركة Shimadzu Corporation (اليابان) بتسويق ليزر الصمام الثنائي ذو التأثير الأزرق BLUE IMPACT ، والذي يمكنه إنتاج 100 واط من الطاقة عند سطوع عالٍ. تم تطوير هذا المنتج من قبل شركة Shimadzu بالتعاون مع جامعة أوساكا في اليابان كجزء من مشروع وطني في اليابان. يجمع ليزر BLUE IMPACT بين العديد من ثنائيات الليزر الأزرق من نيتريد الغاليوم (GaN) من شركة Nichia Chemical Corporation (اليابان) ، مما يضاعف الكفاءة منذ عام 2006 ويزيد طاقة الخرج بترتيب من حيث الحجم. أحد التطبيقات الرئيسية لليزر الصمام الثنائي الأزرق البالغ 450 نانومتر من Shimadzu هو الطباعة ثلاثية الأبعاد للمواد النحاسية.
تم اكتشاف الليزر الأخضر المذكور أعلاه خلال الستينيات إلى الثمانينيات. في ذلك الوقت ، استخدم الناس العديد من المواد البلورية غير الخطية لأداء ليزر Nd: YAG لمضاعفة التردد داخل التجويف للحصول على مصادر الضوء الأخضر. في التسعينيات ، حققت أجهزة الليزر الخضراء الصلبة بالكامل ذات الطاقة العالية ومعدل التكرار العالي ، والتي تتمتع بمزايا العمر الطويل والموثوقية العالية والحجم الصغير والكفاءة العالية ، تطورًا غير مسبوق. مع تحسين جودة ليزر أشباه الموصلات المحلي وخفض سعر ليزر أشباه الموصلات الأجنبية ، أحرزت أبحاث الليزر الأخضر عالي الطاقة المحلي بالكامل تقدمًا كبيرًا.
لقد ثبت أن استخدام الليزر الأخضر يقترن بشكل أفضل بالنحاس في تطبيقات اللحام. في الواقع ، يتم امتصاص الأطوال الموجية الخضراء (λ=532 أو 515 نانومتر) بسهولة أكبر بواسطة النحاس النقي ليس فقط في الحالة الصلبة ولكن أيضًا في الحالة السائلة. من المتوقع أن تتراوح معدلات الامتصاص المقابلة بين 40 بالمائة و 60 بالمائة في الحالة الصلبة و 25 بالمائة إلى 50 بالمائة في الحالة السائلة. وفقًا لنتائج البحث التي قدمها المعهد الألماني لتكنولوجيا الفوتون ، عندما يكون النحاس في حالة صلبة عند درجة حرارة الغرفة عند 20 درجة ، يكون معدل الامتصاص لشريط الضوء الأخضر حوالي 40 بالمائة ؛ وبدلاً من ذلك ، انخفض بنحو 5 في المائة. أي أن امتصاص الضوء الأخضر ينخفض قليلاً بعد ذوبان النحاس. تساعد هذه الميزة على تحقيق ثقب صغير مستقر وتقريباً صفر ترشيش عند تصنيع النحاس. هذه هي الميزة الواضحة لليزر الأخضر على اللحام بالليزر بالأشعة تحت الحمراء. لذلك ، فإن تعزيز استخدام الليزر الأخضر على نطاق واسع على نحاس L-PBF هو الهدف الرئيسي للعمل البحثي الحالي.
الليزر الأزرق
الطريقة الثانية الممكنة لتحسين اقتران طاقة النحاس والليزر هي استخدام مصدر ليزر أزرق ، وبالتالي ، فإن ليزر الصمام الثنائي الأزرق عالي الطاقة بطول موجة 450 نانومتر هي أيضًا مرشحة قوية للطباعة بالليزر ثلاثية الأبعاد للنحاس.
في دراسة النحاس النقي وسبائك النحاس -6 ، Hummel et al. أشار إلى أن معدل امتصاص النحاس لضوء الليزر الأزرق أعلى من 515-530 نانومتر ، ومعدل الامتصاص يصل إلى 80 بالمائة في حالة اللحام الموصلة ، بينما عند 515 نانومتر 60 بالمائة. ومع ذلك ، على الرغم من وجود قوى أعلى قيد التطوير بالفعل ، فإن ثنائيات الليزر الأزرق الحالية لا تزال محدودة في السطوع وقطر الحزمة المركزة المتاحة ، مما يحد من تطبيقها المحتمل في L-PBFs ، لأن هذا يتطلب سرعة مسح أعلى للحام بالليزر.
صورة
يمتص النحاس والذهب والألمنيوم والمواد الأخرى ضوء الليزر الأزرق بشكل أفضل من الأطوال الموجية الأخرى لضوء الليزر. الصورة عبر NUBURU / NASA 1969
في مايو 2022 ، علم Antarctic Bear أن Essentium ، الشركة المصنعة للمعدات الأصلية وراء تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد عالية السرعة (HSE) ، و NUBURU ، متخصص الليزر الصناعي ، قد تعاونا لتطوير طابعة معدنية ثلاثية الأبعاد جديدة تعتمد على الليزر الأزرق يمكنها حل نقاط الألم من الانعكاس السهل وصعوبة التشكيل في عملية الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد التقليدية للنحاس / الذهب / الألومنيوم / الفولاذ المقاوم للصدأ والمعادن الأخرى. يُذكر أن آلة الطباعة ثلاثية الأبعاد المعدنية بالليزر الجديدة ستدمج تقنية الليزر الأزرق الخاصة بـ NUBURU وستكون قادرة على معالجة المواد في شكل تغذية سلكية ، لذلك يمكننا أن نستنتج أنها تعمل على مبدأ ترسيب الطاقة الموجهة (DED). بالإضافة إلى ذلك ، تدعي NUBURU أن تقنية الليزر الأزرق يمكنها تمكين الطباعة ثلاثية الأبعاد بسرعة تصل إلى 10 مرات أسرع من المنافسين ، مع طباعة المعادن بكثافات عالية جدًا.
صورة
△ ليزر أزرق نوبورو. الصورة عبر NUBURU.
جمعت NUBURU ، وهي شركة أخرى تركز على تقنية الليزر الأزرق عالية الطاقة ، 20 مليون دولار لتطوير خطوط الإنتاج الصناعي وتطوير أسواق لتخزين الطاقة والمركبات الكهربائية والطباعة ثلاثية الأبعاد. الكسوة بالليزر وترسيب المعادن بالليزر (LMD) هما تطبيقان حيث يتم تسخين المادة الخام إلى نقطة الانصهار والالتصاق بالسطح. وفقًا لـ NUBURU ، تتيح مزايا تقنية الليزر الأزرق تكسية النحاس على الفولاذ المقاوم للصدأ (والعكس صحيح). يمكن أن تودع الليزر الأزرق الصناعي طبقة معدنية نحاسية تلو الأخرى. تمتد هذه الميزة إلى عملية التصنيع المضافة لترسيب المعادن بالليزر (LMD). بالنسبة للذهب والنحاس والألمنيوم والمعادن العاكسة الأخرى ، يمكن لليزر الأزرق أن يبني أسرع من ليزر الأشعة تحت الحمراء الذي يكون أسرع بعشر مرات ويقدم جودة أعلى.
ملخص الدب القطبي
يثبت البحث أعلاه أنه يمكن استخدام كل من الليزر الأخضر والليزر الأخضر كمصدر ضوئي مفضل للطباعة ثلاثية الأبعاد للمواد المعدنية العاكسة للغاية ، ويمكن للطباعة ثلاثية الأبعاد للمواد النحاسية النقية أن تحل المشكلات ذات الصلة بشكل جيد وتحقق كثافة أعلى. ومع ذلك ، لا تزال تكلفة هذين الليزرين مرتفعة في الوقت الحالي ، ولا يزال تحسين الليزر الأخضر / الأزرق وخفض تكاليفه يمثلان مشاكل يتعين حلها في المستقبل. من المتوقع أنه إذا أمكن تطبيق تقنية الطباعة بالليزر ثلاثية الأبعاد على مواد نحاسية نقية على نطاق واسع ، فمن المتوقع أن يتوسع حجم السوق للمواد النحاسية المطبوعة ثلاثية الأبعاد.
