供稿人:楊東、李滌塵 發(fā)布日期：2017-10-27
銅不僅以其延展性著稱，同時(shí)其導(dǎo)熱性能也十分優(yōu)異，研究表明銅金屬的導(dǎo)熱性能僅次于銀。因此銅及其合金在航空、國(guó)防等領(lǐng)域的復(fù)雜冷卻或傳熱部件中應(yīng)用前景廣泛?？雌饋?lái)似乎是一種理想的金屬3D打印材料，但也正是由于這種導(dǎo)熱性讓銅難以3D打印，因?yàn)樗軅鬟f激光束施加的熱量了，使得激光照射在材料上的熱量難以集中以熔化粉末，也使得精細(xì)特征的成形變得困難。銅金屬難以3D打印的另一個(gè)原因是其擁有極高的激光反射率。
德國(guó)阿貝光子學(xué)中心以及弗勞恩霍夫研究所科研人員采用超短脈沖激光選區(qū)熔化技術(shù)(SLM)成功制備出了厚度在100um以下的薄壁銅結(jié)構(gòu)，并確定了合適的工藝制備窗口。銅及其合金導(dǎo)熱性和反射性極佳，3D打印銅金屬比較困難。阿貝光子學(xué)中心等研究人員利用極高能量密度的超短脈沖激光作為能量源，提高銅金屬粉末對(duì)激光的吸收率；通過(guò)調(diào)整脈沖重復(fù)率來(lái)優(yōu)化控制目標(biāo)打印區(qū)溫度場(chǎng)及粉末熔化粘結(jié)情況。激光器參數(shù)如表1所示。
表1 超短脈沖激光器參數(shù)
圖1（a）為選取脈沖重復(fù)率為20MHZ，脈沖能量密度從0.1到1.25uJ，激光線能量密度從10J/m時(shí)成形的典型試樣；圖（b）掃描策略，黑色虛線為跳轉(zhuǎn)軌跡
圖2（a）成形不同銅金屬結(jié)構(gòu)：成形尺寸2x2x1.4mm3； (b) 電鏡下采用粉末顆粒粘結(jié)成形的多孔結(jié)構(gòu)形貌：脈沖重復(fù)利用率20MHZ，脈沖能量1.25uJ,掃描速度833mm/s；（c）聚焦離子束策略下試樣的表面形貌；（d）為（c）的放大圖
圖3 （a）不同工藝組下成形直徑為3mm的典型薄壁結(jié)構(gòu)；（b）成形的厚度小于100um薄壁：脈沖能量1.0uJ,掃描速度666mm/s
通過(guò)超短脈沖激光實(shí)現(xiàn)了銅金屬的薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)成形，且薄壁厚度小于100um，該研究對(duì)于銅及其合金在航空、國(guó)防及微電子等領(lǐng)域的換熱、傳熱、導(dǎo)電等復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件應(yīng)用起到了良好的推動(dòng)作用。