Sof mis yuqori issiqlik va elektr o'tkazuvchanligi tufayli elektronika va energiya ishlab chiqarishda keng qo'llaniladigan materialdir. Tegishli ilovalar ko'pincha elektr o'tkazuvchanligini oshirish uchun to'liq zich materiallar bilan birlashtirilgan murakkab geometriyalarni o'z ichiga oladi. Bunday ilovalar uchun qo'shimcha ishlab chiqarish (AM) yangi dizaynlar uchun etarli bo'lib tuyuladi.
Aniqrog'i, Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) texnologiyasi tomonidan taqdim etilgan yuqori aniqlik va fazoviy o'lchamlari juda murakkab shakllarni yaratish va jarayonda moddiy chiqindilarni kamaytirish uchun juda mos keladi. Biroq, lazer infraqizil lazer nurlanishi ostida mis kukunining yuqori yansıtıcılığı va yuqori issiqlik o'tkazuvchanligi tufayli an'anaviy L-PBF usuli bilan past porozlikli sof mis materiallarni ishlab chiqarish hali ham haqiqiy texnik muammodir.
Mis kukunining chang xossalari
Mis mukammal issiqlik o'tkazuvchanligi, elektr o'tkazuvchanligi va yaxshi korroziyaga chidamliligi va egiluvchanligiga ega va metall tizimida mis keng manbalarga ega va arzon narxga ega va elektr va termal materiallar, biomeditsina kabi ko'plab sohalarda keng qo'llanilishi mumkin. va boshqalar. . Misning lazer nurini aks ettirish qobiliyati yuqori bo'lib, to'lqin uzunligi 1060 nm dan ortiq bo'lgan lazerlar uchun 90 foizdan ko'proq, to'lqin uzunligi 515 nm bo'lgan lazerlar uchun yutilish darajasi 60 foizdan ortiq. Bunday holda, misning bu xususiyatlari qo'shimchalar ishlab chiqarish texnologiyasini qayta ishlashda qiyinchiliklarga olib keladi. Mis nisbatan yuqori issiqlik o'tkazuvchanligiga ega. Shakllanish jarayonida issiqlik tezda erish maydoniga o'tadi, natijada yuqori mahalliy termal gradientlar qatlamning jingalaklanishi, delaminatsiya va qisman qisman ishlamay qolishi kabi jarayon nuqsonlariga olib kelishi mumkin. Bundan tashqari, misning yuqori egiluvchanligi hosil bo'lgan qismlardan qoldiq kukunni olib tashlash va qayta ishlashni qiyinlashtiradi. Bundan tashqari, mis kukuni yuqori sirt faolligiga ega va oksidlanish oson. Mis kukuni maxsus ishlov berish va saqlashni talab qiladi.
Misning yuqori issiqlik o'tkazuvchanligi va lazer nurining yuqori aks etishi cheklovlari mis kukuni qo'shimchalarini ishlab chiqarish texnologiyasini shakllantirish jarayonini nazorat qilishni qiyinlashtiradi va shakllantirish jarayoni qiyin. Hozirgi vaqtda misni 3D bosib chiqarishni tadqiq qilish va qo'llash boshqa keng tarqalgan metall materiallardan orqada qolmoqda. Mis, odatiy strukturaviy-funktsional integratsiya materiali sifatida, qo'shimcha ishlab chiqarish ehtiyojlarining keng doirasiga ega va 3D bosib chiqarish sanoatida tadqiqot nuqtasi hisoblanadi.
An'anaviy lazerli kukunli to'shak termoyadroviyni shakllantirishning texnik qiyinchiliklari
Lazerli selektiv eritish texnologiyasining issiqlik manbai lazer nuridir. Misning lazerga yuqori aks etishi lazer energiyasining katta qismini shakllantirish jarayonida optik tizimga qaytarilishiga olib keladi va energiyaning faqat kichik bir qismi mis kukuni tomonidan so'riladi. Xi jinsi butunlay eriydi va uning qismlari g'ovak va yoriqlar kabi nuqsonlarga moyil bo'lib, bu lazerli selektiv erituvchi mis hosil qilishda qiyinchiliklarga olib keladi. Hozirgi vaqtda misni lazerli selektiv eritish va shakllantirish bo'yicha tadqiqot sohasida tegishli tadqiqotlar asosan qismlarning zichligini yaxshilashga qaratilgan.
Dastlabki tadqiqotlar lazer uskunalari kabi apparat vositalari bilan cheklangan edi. Shakllantirish jarayonida lazerning mis kukunini to'liq eritishi qiyin edi va zich qismlarni tayyorlash qiyin edi. Lazer texnologiyasining uzluksiz rivojlanishi bilan lazer uskunasining ishlashi doimiy ravishda yaxshilandi va qismlarning zichligini oshirish uchun yuqori quvvat ishlatilishi mumkin. Biroq, optik tizimga qaytarilgan lazer optik qismlarga zarar etkazadi va keyin ba'zi tadqiqotchilar mis kukunining sirtini o'zgartirish va lazer to'lqin uzunligini kamaytirish kabi usullar misning yuqori aks ettirish qobiliyatini yaxshilashi mumkinligini taklif qilishdi. Erta lazerli selektiv eritishni shakllantirish uskunasi past quvvatli, zaif barqarorlik va past nur sifatiga ega lazerlardan foydalangan, shuning uchun mis kukunining to'liq erishiga erishish qiyin edi. Mis kukuniga bog'lovchi sifatida faqat past erish nuqtasi yoki yuqori lazerni yutish darajasi bo'lgan qotishma kukuni qo'shilishi mumkin. Lazerli skanerlashda bog'lovchi eritilib, suyuq faza hosil qiladi, u mis kukunlari zarralari orasidagi teshiklarni to'ldiradi va sinterlashga erishish uchun qotib qoladi. Qismlarni tayyorlash. Bu usul "bilvosita sinterlash usuli" deb ataladi. Butun qismning to'liq bosib chiqarilishi shu tarzda amalga oshirilishi mumkin bo'lsa-da, ba'zi tegishli tadqiqotchilar olingan qismlar kamroq zichroq ekanligini aniqladilar.
Akademiyada Nankin Aeronavtika va Astronavtika Universitetidan Gu Dongdong maksimal chiqish quvvati 1 KVt bo'lgan CO2 lazerini, biriktiruvchi sifatida oldindan qotishma CuSn kukunini va CuPni Cu plus CuSn va CuP kukunini sinterlash uchun deoksidlovchi sifatida ishlatgan. 82 foiz mis qismlar. Tang Y va boshqalar. 200 Vt lazerdan Cu plus Cu3P kukunini birlashtiruvchi sifatida oldindan qotishma metall kukuni Cu3P bilan sinterlash uchun ishlatdi va nihoyat zichligi 76 foiz bo'lgan qismni tayyorladi. Bundan tashqari, Shenghua 3D kabi mahalliy ishlab chiqaruvchilar ham bilvosita 3D bosib chiqarish va mis materiallarini shakllantirishda izlanishlar olib bordilar va yutuqlarga erishdilar.
Xulosa qilib aytganda, dastlabki tadqiqotlar hali ham lazer quvvati va nurlanish sifati ta'siri bilan cheklanganligini ko'rish mumkin, bu esa tayyorlangan qismlarning zichligini past va shakllanish sifatini yomonlashtiradi. Bu misning lazer nurini singdirish tezligining qiyinchiliklarini bartaraf etish va barqaror shakllanish sharoitlarini yaratish uchun yuqori quvvat va sifatli lazerlardan foydalanishni talab qiladi, buning natijasida lazerni tanlab eritish va mis qismlarini shakllantirish sifati va ishlashi yaxshilanadi.
Lazer texnologiyasining uzluksiz rivojlanishi bilan lazerlarning barqarorligi va nurlanish sifati ham doimiy ravishda yaxshilandi va yuqori nur sifati, yuqori barqarorlik va yuqori quvvatga ega bo'lgan ba'zi lazer uskunalari foydalanishga topshirildi. Ba'zi tadqiqotchilar ushbu turdagi uskunalar bilan tajriba o'tkazdilar va qismlarning zichligi sezilarli darajada yaxshilanganligini aniqladilar. Lykov PA va boshqalar. turli texnologik parametrlarga ega sof mis namunalarini tayyorlash uchun Pro DM125 uskunasidan foydalanilgan. Lazer quvvati 200 Vt, skanerlash tezligi 100 mm/s, qator oralig‘i 0,12 mm va qatlam qalinligi 0,05 mm bo‘lgan sharoitda, zichligi 0,05 mm bo‘lgan sof mis namunalari 88,1 foizi olindi. Mis namunalari. Ikeshoji TT va boshqalar. 800 Vt lazer quvvati va 300 mm / s skanerlash tezligi sharti bilan 1KW yuqori quvvatli bir rejimli tolali lazerli SLM uskunasidan foydalangan, zichligi 96,6 foiz bo'lgan sof mis namunasini olgan va skanerlash masofasining ta'sirini o'rgangan. shakllantirish bo'yicha Ish qismi sifatining ta'siriga ko'ra, skanerlash masofasi taxminan 0,1 mm bo'lsa, olingan namunaning zichligi eng yuqori ekanligi aniqlandi. Colopi M va boshqalar. zichligi 97 foizdan yuqori bo'lgan sof mis namunalarini tayyorlash uchun bir xil lazer SLM uskunasidan foydalangan. Jadhav SD va boshqalar. energiya zichligi 740-1120J/mm3 boʻlgan jarayon sharoitida 98 foizgacha zichlikdagi namunani olish uchun yuqori quvvatli tolali lazer uskunasidan foydalangan.
Shakllangan qismlarning zichligiga lazer kuchini oshirish va shakllantirish jarayonini optimallashtirish orqali erishish mumkin bo'lsa-da, optik tizimga qaytarilgan lazer optik qoplamani yo'q qiladi va lazerni yanada shikastlaydi. Shuning uchun, faqat lazer nurlarining sifatini yaxshilash va lazer quvvatini oshirishga tayanish samarali va mumkin bo'lgan yechim emas. Bu muammoni hal qilishning samarali usuli faqat misning lazer quvvatini aks ettirish qobiliyatini kamaytirishdir. Chunki mis 515 nm dan kam to'lqin uzunligi uchun 60 foizdan ortiq lazerni yutish darajasiga ega. Shuning uchun lazer to'lqin uzunligini qisqartirish va misning lazerga singish tezligini oshirish misning lazerli selektiv shakllanishini amalga oshirishning kalitidir.
yashil lazer
Misning lazer nurini yuqori aks ettirish muammosini hal qilish uchun ba'zi xorijiy tadqiqot muassasalari ko'rinadigan to'lqin uzunligi diapazonida ishlaydigan yangi ishlab chiqilgan yuqori quvvatli lazer manbalaridan foydalanishni boshladilar va to'lqin uzunligi 515 nm (yashil lazer) bo'lgan lazer uskunasidan foydalanishga harakat qilishdi. ) tajribalar uchun. Yaxshilangan lazer-mis energiya aloqasi.
2017-yilda Germaniyadagi Fraunhofer lazer texnologiyasi instituti tadqiqotchilari sof misni yashil lazer bilan bosib chiqarishni o‘rganishda yetakchilik qilishdi. Ular sof mis yoki mis qotishmalari uchun yashil lazerli selektiv lazer eritish (SLM) tizimini ishlab chiqdilar. 3D bosib chiqarish, texnologiya "Green SLM" deb nomlanadi.
2022 yil noyabr oyida Trumpf (TRUMP) Frankfurt xalqaro Formnext ko'rgazmasida so'nggi 3D-printer-TruPrint 5000 va yashil lazer texnologiyasini namoyish etdi. 2021 yilda TRUMP o'zining 3 kVt quvvatli uzluksiz yashil diskli lazerini ishga tushirdi. Ma'lum qilinishicha, ushbu mahsulotning o'rtacha chiqish quvvati 3 kilovattgacha, bu hozirgi yashil lazer seriyasidagi eng kuchli quvvatni ifodalaydi va mis va alyuminiy kabi yuqori aks ettiruvchi materiallarni payvandlash uchun juda mos keladi, ayniqsa lityumda. akkumulyator sanoati yangi energiyali avtomobil quvvat akkumulyatorlari bilan ifodalanadi. , Trumpf yashil lazeri (1000-3000Vt) mis folga bilan payvandlashning 120 qatlamigacha erishishi mumkin, deyarli hech qanday chayqalmaydi va penetratsiya chuqurligi aniq va nazorat qilinadi. Bundan tashqari, yuqori quvvatli yashil chiroq ham sof mis materiallardan qo'shimcha ishlab chiqarishni qo'llashda ajoyib afzalliklarga ega - 3D bosma.
2018-yilda Shimadzu korporatsiyasi (Yaponiya) yuqori yorqinlikda 100 vatt quvvat ishlab chiqaradigan BLUE IMPACT ko‘k zarbali diodli lazerini tijoratlashtirdi. Ushbu mahsulot Shimadzu korporatsiyasi tomonidan Yaponiyaning Osaka universiteti bilan hamkorlikda Yaponiyadagi milliy loyiha doirasida ishlab chiqilgan. BLUE IMPACT lazer Nichia Chemical Corporation (Yaponiya) tomonidan ishlab chiqarilgan ko'plab galliy nitridi (GaN) ko'k lazer diodlarini birlashtiradi, 2006 yildan beri samaradorlikni ikki baravar oshiradi va chiqish quvvatini kattalik bilan oshiradi. Shimadzuning 450nm ko'k diodli lazerining asosiy qo'llanilishi mis materiallarini 3D bosib chiqarishdir.
Yuqorida tilga olingan yashil lazer 1960-1980-yillarda kashf etilgan. O'sha paytda odamlar yashil yorug'lik manbalarini olish uchun Nd: YAG lazerlarini intrakavit chastotasini ikki baravar oshirish uchun turli xil chiziqli bo'lmagan kristall materiallardan foydalanganlar. 1990-yillarda uzoq umr, yuqori ishonchlilik, kichik o'lcham va yuqori samaradorlik afzalliklariga ega bo'lgan yuqori quvvat va yuqori takrorlash tezligiga ega bo'lgan barcha qattiq holatda yashil lazerlar misli ko'rilmagan rivojlanishga erishdi. Mahalliy yarimo'tkazgichli lazerlarning sifatini yaxshilash va xorijiy yarim o'tkazgich lazerlarining narxini pasaytirish bilan mahalliy qattiq holatdagi yuqori quvvatli yashil lazerlarni tadqiq qilish ham katta muvaffaqiyatlarga erishdi.
Yashil lazerlardan foydalanish payvandlashda misga yaxshiroq mos kelishini isbotladi. Aslida, yashil to'lqin uzunliklari (l=532 yoki 515 nm) sof mis tomonidan nafaqat qattiq holatda, balki suyuq holatda ham osonroq so'riladi. Tegishli assimilyatsiya darajasi qattiq holatda 40 foizdan 60 foizgacha va suyuq holatda 25 foizdan 50 foizgacha bo'lishi kutilmoqda. Germaniya Foton Texnologiyasi Instituti tomonidan berilgan tadqiqot natijalariga ko'ra, mis xona haroratida 20 daraja qattiq holatda bo'lsa, yashil yorug'lik chizig'i uchun assimilyatsiya darajasi taxminan 40 foizni tashkil qiladi; Buning o'rniga, u taxminan 5 foizga kamaydi. Ya'ni, mis eritilgandan keyin yashil yorug'likning yutilishi biroz kamayadi. Bu xususiyat misni qayta ishlashda barqaror kichik tuynuk va deyarli nol purkashga erishishga yordam beradi. Bu infraqizil lazerli payvandlashdan yashil lazerning aniq afzalligi. Shu sababli, L-PBF misida yashil lazerlarni keng qo'llashni rag'batlantirish hozirgi tadqiqot ishining asosiy maqsadi hisoblanadi.
ko'k lazer
Lazer-mis energiya ulanishini yaxshilashning ikkinchi mumkin bo'lgan usuli bu ko'k lazer manbasidan foydalanishdir, shuning uchun 450 nm to'lqin uzunligidagi yuqori quvvatli ko'k diodli lazerlar ham misni lazerli 3D bosib chiqarish uchun kuchli nomzodlardir.
Sof mis va Cu-6Sn qotishmasini oʻrganishda Hummel va boshqalar. ko'k lazer nurlari uchun misning assimilyatsiya darajasi 515-530 nm dan yuqori ekanligini va yutilish darajasi o'tkazuvchan payvandlash holatida 80 foizga, 515 nm da 60 foizga teng ekanligini ta'kidladi. Biroq, yuqori quvvatlar allaqachon ishlab chiqilayotgan bo'lsa ham, mavjud ko'k lazerli diodlar hali ham yorqinligi va mavjud fokuslangan nur diametrida cheklangan, bu ularning L-PBFlarda qo'llanilishini cheklaydi, chunki bu lazerli payvandlash uchun yuqori skanerlash tezligini talab qiladi.
rasm
△ Mis, oltin, alyuminiy va boshqa materiallar ko'k lazer nurini lazer nurining boshqa to'lqin uzunliklariga qaraganda yaxshiroq qabul qiladi. NUBURU/NASA orqali tasvir 1969 yil
2022-yil may oyida Antarctic Bear High Speed Extrusion (HSE) 3D bosib chiqarish texnologiyasini ishlab chiqaruvchi original uskuna ishlab chiqaruvchi Essentium va sanoat lazer bo‘yicha mutaxassis NUBURU hamkorlikda yangi ko‘k lazer asosidagi metall 3D printerni ishlab chiqishganini bilib oldi. mis / oltin / alyuminiy / zanglamaydigan po'lat va boshqa metallarning an'anaviy metall 3D bosib chiqarish jarayonida oson aks ettirish va qiyin shakllantirishning og'riqli nuqtalari. Ma'lum qilinishicha, yangi lazerli metall 3D bosib chiqarish mashinasi NUBURUning xususiy ko'k lazer texnologiyasini o'zida mujassamlashtirgan va materiallarni simli uzatish ko'rinishida qayta ishlay oladi, shuning uchun biz u yo'naltirilgan energiya to'planishi (DED) printsipi asosida ishlaydi degan xulosaga kelishimiz mumkin. Bundan tashqari, NUBURU ta'kidlashicha, ko'k lazer texnologiyasi 3D bosib chiqarishni raqobatchilarga qaraganda 10 baravar tezroq, shu bilan birga juda yuqori zichlikdagi metallni chop etish imkonini beradi.
rasm
△NUBURU koʻk lazer. NUBURU orqali surat.
NUBURU, yuqori quvvatli ko'k lazer texnologiyasiga yo'naltirilgan yana bir kompaniya sanoat ishlab chiqarish liniyalarini rivojlantirish va energiya saqlash, elektr transport vositalari va 3D bosib chiqarish bozorlarini rivojlantirish uchun 20 million dollar to'pladi. Lazer qoplamasi va lazerli metall cho'kmasi (LMD) - bu xom ashyo erish nuqtasiga qizdirilgan va sirtga yopishtirilgan ikkita dastur. NUBURU ma'lumotlariga ko'ra, uning ko'k lazer texnologiyasining afzalliklari misni zanglamaydigan po'latdan (va aksincha) qoplash imkonini beradi. Sanoat ko'k lazerlar mis metall qatlamini qatlam bilan yotqizishi mumkin. Ushbu afzallik lazerli metall cho'kma qo'shimchalarini ishlab chiqarish jarayoniga (LMD) taalluqlidir. Oltin, mis, alyuminiy va boshqa aks ettiruvchi metallar uchun ko'k lazer infraqizil lazerlarga qaraganda 10 baravar tezroq qurilishi va yuqori sifatni taqdim etishi mumkin.
qutb ayigining xulosasi
Yuqoridagi tadqiqotlar shuni ko'rsatadiki, yashil lazer ham, yashil lazer ham yuqori aks ettiruvchi metall materiallarni 3D bosib chiqarish uchun afzal yorug'lik manbai sifatida ishlatilishi mumkin va sof mis materiallardan 3D bosib chiqarish tegishli muammolarni yaxshi hal qilishi va yuqori zichlikka erishishi mumkin. Biroq, bu ikki lazerning narxi hozir ham yuqori bo'lib, yashil / ko'k lazerlarni yaxshilash va xarajatlarni kamaytirish hali ham kelajakda hal qilinishi kerak bo'lgan muammolardir. Agar lazerli 3D bosib chiqarish texnologiyasi sof mis materiallarga keng miqyosda qo'llanilishi mumkin bo'lsa, 3D bosma mis materiallarining bozor hajmi yanada kengayishi kutilmoqda.
