纯铜3D打印2024最新技术进展：基于激光/电子束熔融和能量沉积

相比钛合金、铝合金和不锈钢等金属3D打印材料，纯铜的3D打印应用几乎是当前最少的，一些供应商甚至给出了纯铜3D打印市场并不大的结论。纯铜3D打印多年来一直备受关注，且在工艺技术方面获得了一定发展。对于其为什么打印困难已经不必再多讨论，本文内容，3D打印技术参考主要给出当前纯铜等难以3D打印的材料在近几年的最新工艺发展情况。

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基于粉末床熔融

绿光3D打印商业化再突破

纯铜的3D打印工艺最开始由激光粉末床打印开始探索，由于纯铜对主流的LPBF用激光器的波长具有很高的反射率，不仅不容易熔化，甚至有可能损伤打印机光学器件；通常，基于近红外激光打印纯铜，不得不更改设备结构，配备更高功率的激光器（如1kw）等。

短波长相比近红外激光对金属具有更高的吸收率，因此成为打印高反射金属的更佳选择。纯铜对绿激光（500nm-559nm）的吸收率接近40%，相当于常规SLM用红外激光的8倍。

希禾增材绿光3D打印的纯铜

如今，基于绿色激光的LPBF设备已经实现商业化。通快公司于2018年率先推出了第一款绿激光3D打印机，配备515nm的绿光激光器，打印的纯铜实现了100％IACS的电导率和99.9％的致密度。

2023年，国内在绿激光3D打印设备商业化方面取得重要进展。希禾增材推出XH-M160G设备，成为国内首家、全球第二家推出商业化绿激光LPBF设备的厂商。采用自研532nm单模连续绿光光纤激光器（500W/700W/1000W可选），希禾增材实现了超过100％IACS的电导率和超过99.6％的致密度。2024年，希禾增材推出了打印尺寸达350*350*500mm的中大成型尺寸的绿激光SLM 3D打印机XH-M350G。据3D打印技术参考了解，希禾增材还将陆续研发上市XH-M600G、XH-M650G、XH-M800G等大尺寸、多激光产品，以匹配更多应用场景的需求。

希禾增材XH-M350G

除希禾增材外，传统SLM金属3D打印设备商汉邦激光，则于2024年TCT亚洲展期间展示了HBD S400G绿激光金属增材制造设备，成型尺寸可达400×350×400mm，使国产绿光SLM打印方案进一步丰富。

汉邦激光HBD S400G

7月12日，铂力特发布消息，也推出了全新绿激光技术方案。

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基于粉末床熔融

蓝光3D打印或在加速

纯铜对蓝色激光（400nm-500nm）的吸收率达到65%，相当于常规SLM用红外激光的13倍。当前，市场范围内尚没有基于蓝光的商业LPBF设备出现，仅有相关研究。

首次报道采用蓝色激光打印纯铜，是由日本研究人员于2020年开展。国内方面，2021年3D打印技术参考关注到华南理工杨永强教授团队将1070nm的红外光纤激光器与450nm的蓝光半导体激光器相结合，实现红外/蓝光复合，既可以打印钛合金、铝合金、不锈钢等常规材料，也可以打印对红外光具有高反作用的金、银、纯铜等材料，在实际加工过程中只需要根据材料不同切换激光器即可。

最新的进展是2022年美国空军“小企业创新研究”（SBIR）授予了蓝色激光专家NUBURU开发一种新的基于蓝光技术、能获得高金属密度、微米级分辨率、零后处理，同时将构建速度提升100倍的新金属3D打印解决方案。很明显这是一台基于蓝光的LPBF 3D打印机，相关报道也指出新的装备同时具有区域打印的能力。2023年，Nuburu与GE Additive签署联合技术协议，同样表达了采用蓝色激光开发区域LPBF设备的计划。

NUBURU蓝光LPBF技术优势

蓝色激光在打印纯铜方面的潜力自然毋庸置疑，从上述进展可以看出，美国正在领导开展基于蓝光的粉末床熔融解决方案研发。

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基于定向能量沉积

蓝色激光打印已商业化

2022年，Essentium与NUBURU宣布合作正在开发基于送丝的蓝色激光能量设备。2023年5月，相关蓝色激光器已经交付。因此看来，相关设备的研发，还在进行当中。

2022-2023年，加州大学使用送粉式蓝色激光能量沉积3D打印了纯铜材料，并进行了相关研究。

基于蓝色激光的送粉式能量沉积3D打印的纯铜

国内方面，3D打印技术参考发现，雷佳增材推出了基于蓝色激光的送粉激光能量沉积增减材设备LASERADD-DED-500H。中科煜宸开发有可选光纤/蓝光的的LDM 4030。上海交大已采用后者装备开展了铝合金蓝色激光定向能量沉积研究。

除此之外，国家层面似乎注意到了蓝色激光的巨大潜力。在2023年的“增材制造与激光制造”国家重点研发计划专项中，“制造用蓝光半导体激光器”赫然出现其中，这意味着用于增材制造的下一代激光光源得到了国家重视。

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电子束3D打印

GE“点熔”策略解决粗糙问题

采用电子束3D打印（EBM）纯铜，相比传统激光优势很大。纯铜实际上能吸收80%的电子束能量，但对近红外激光的反射率则达到了98%。此外，EBM运行的真空环境最大限度减少了铜材料对氧气的吸收，从而可以生产出高导电率的铜。氧气会降低铜的导电性，同时也会使元件变脆。除此之外，EBM能够提供几何自由度、高生产率和高导电性的结合。但是，电子束3D打印的最突出特点就是表面质量较差。

3D打印技术参考根据GE Additive于2023年公布的一份电子束3D打印最新发展文件，其提出了一种被称为Point Melt的新扫描方式。这项将于2024年推出的新技术，将原有的线扫描替换为点扫描，并通过精确控制每个点的能量以及点与点之间的距离，可防止过多的热量传输。实现的结果是零件无论怎样摆放，每个面的粗糙度几乎一致，所打印的零件表面粗糙度分布在RA8-18μm之间，这个数据几乎跟激光SLM打印的零件纵向面一致。

点熔技术下的零件粗糙度与SLM技术对比

因此，电子束3D打印纯铜的最近发展，便是解决了表面过于粗糙的问题，这将进一步释放纯铜3D打印的应用。GE对这项技术寄予厚望，认为其将该改变游戏规则。