銅3D打印中的激光波長選擇：綠光技術(shù)的絕對優(yōu)勢

在現(xiàn)代工業(yè)中，銅作為一種關(guān)鍵的金屬材料，憑借其優(yōu)異的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和耐腐蝕性，在航空航天、電氣電力、汽車制造等多個領(lǐng)域發(fā)揮著不可或缺的作用。然而，隨著金屬3D打印技術(shù)的蓬勃發(fā)展，如何實(shí)現(xiàn)銅件的高效、高質(zhì)量打印，正成為行業(yè)亟待攻克的重要難題。而這一難題的核心，正與打印過程中所使用的激光波長密切相關(guān)。

銅對不同波長激光的吸收差異
金屬材料對不同波長的激光有著明顯不同的吸收表現(xiàn)，一般來說，激光波長越短金屬對其吸收率越高。實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，在室溫條件下，銅對近紅外光(波長范圍1020-1080nm)的吸收率不到5%，而對綠光(波長范圍515-535nm)可達(dá)40%左右，對藍(lán)光(波長范圍440-460nm)的吸收率則能達(dá)到50%。這意味著，相比近紅外光，使用波長更短的綠光或藍(lán)光，可以顯著提升銅的能量吸收效率，使其更容易被加熱和熔融，從而為高質(zhì)量的3D打印提供了可能。

△圖1、各種金屬材料在不同波長激光下的吸收率（%）(資料來源:公大激光)

近紅外激光：成熟技術(shù)背后的隱憂
當(dāng)前，市場上的金屬3D打印機(jī)大多采用近紅外光作為主要光源。近紅外激光器技術(shù)成熟、輸出功率高，且成本相對可控，這些優(yōu)勢使其在金屬3D打印領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，銅對近紅外光吸收率低的特性，也給實(shí)際打印帶來了諸多局限。為了彌補(bǔ)銅對近紅外光吸收率低的不足，廠商通常會選擇提高激光功率，以確保材料能夠順利熔融。然而，當(dāng)銅被加熱到約1400K時，吸收率會突然升高，導(dǎo)致內(nèi)部劇烈變化，容易引發(fā)粉未飛濺、材料塌陷或產(chǎn)生氣孔等問題，這些現(xiàn)象會直接影響打印件的致密度和表面質(zhì)量，使最終成品難以達(dá)到預(yù)期效果。

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△圖2、銅在1064nm近紅外光照射下的表面吸收率隨溫度變化曲線(資料來源:LASER FOCUS WORLD)

△圖3、近紅外光LPBF純銅3D打印中觀察到的形變(紅圈所示)

(資料來源:DO1:10.3217/978-3-85125-968-1-02)

另一種常見的做法是盡量讓激光聚得更集中，從而增強(qiáng)局部的加熱效果，通常需要通過更短焦距的光學(xué)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。這在一定程度上可以彌補(bǔ)銅對近紅外光吸收率低的不足，但隨之而來的問題也不容忽視，銅對近紅外光的反射率很高，大量未被吸收的激光在較短的光路內(nèi)會強(qiáng)烈反射回來，對設(shè)備內(nèi)部的光學(xué)組件造成損壞，影響設(shè)備的穩(wěn)定性與使用壽命，進(jìn)而增加后期維護(hù)和運(yùn)行成本，即使采用高質(zhì)量的光學(xué)鏡片，也難以避免長期高反射帶來的損耗。

△圖4、 光學(xué)鏡面在銅材料高反射作用下12小時后出現(xiàn)涂層損傷

(資料來源:https://doi.org/10.1016/j.matdes.2025.113742)

藍(lán)光激光：理想方案中的技術(shù)瓶頸
從理論上看，銅對波長較短的激光吸收能力更強(qiáng)，使用藍(lán)光似乎是理想選擇。然而，目前藍(lán)光只能依賴半導(dǎo)體激光芯片產(chǎn)生，而單個芯片的輸出功率非常有限。為了獲得足夠的激光功率，必須將多片芯片組合起來工作，但這樣得到的光束質(zhì)量較差，無法有效聚焦。光束無法有效集中，意味著聚焦后的光斑面積較大，難以形成精細(xì)的熔融區(qū)域，導(dǎo)致打印件在精細(xì)度方面無法達(dá)到理想水平，表面質(zhì)量也較差。因此，盡管銅對藍(lán)光的吸收率高，在追求高質(zhì)量銅3D打印時，藍(lán)光激光仍受制于技術(shù)瓶頸，并在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)都難以在高精密金屬3D打印上獲得應(yīng)用。

△圖5、 藍(lán)光DED純銅3D打印20x20x20mm立方體

(資料來源:https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2022.11.064)

綠光激光：恰到好處的“天作之合”
相比之下，綠光激光在銅3D打印中展現(xiàn)出兼顧近紅外光和藍(lán)光的獨(dú)特優(yōu)勢，并克服了二者的局限。首先，綠光波長較短，銅對其吸收率與藍(lán)光相近，卻比近紅外高出一個量級，足以支撐高效熔融。其次，綠光可通過對近紅外激光進(jìn)行轉(zhuǎn)換獲得，既保留了高功率輸出，又延續(xù)了優(yōu)異的光束質(zhì)量，充分發(fā)揮了現(xiàn)有紅外激光技術(shù)的成熟優(yōu)勢。此外，銅對綠光的吸收率較高，且隨著溫度升高吸收率變化平緩，不會出現(xiàn)劇烈波動，因而能有效避免粉未飛濺或塌陷等問題，打印出的零件致密度更高表面質(zhì)量也更好。

△圖6 、綠光LPBF純銅3D打印精細(xì)結(jié)構(gòu)

(資料來源:希禾增材)

綠光激光在輸出模式上可分為連續(xù)和脈沖兩種，不同式在銅3D打印中的表現(xiàn)也各有差異。連續(xù)激光在工作過程中會持續(xù)、均勻地輸出激光，保持能量不中斷，而脈沖激光則以極短的時間間隔，間歇性釋放能量。在這兩種模式之間，還有一種被稱為”準(zhǔn)連續(xù)”的模式，本質(zhì)上屬于高重頻脈沖激光，雖然看起來像是一直在出光但在更細(xì)的時間尺度上，依然存在能量停頓，無法達(dá)到100%不間斷輸出。

△圖7 、公大激光與IPG高功率1000W綠光激光器工作模式示意圖

(資料來源:公大激光)

有研究表明，使用準(zhǔn)連續(xù)綠光激光對銅進(jìn)行熔融，當(dāng)激光功率達(dá)到150W時，局部溫度可使銅汽化。由于激光以脈沖方式作用，材料內(nèi)部的熔融區(qū)域會出現(xiàn)塌陷產(chǎn)生氣孔，導(dǎo)致焊縫的相對密度下降(Heinrich et al.2022)。這一現(xiàn)象在銅3D打印中同樣可能發(fā)生，在脈沖激光模式下，熔融區(qū)域的不穩(wěn)定會導(dǎo)致孔隙率增加降低打印件的致密度，而連續(xù)激光由于能量輸入穩(wěn)定能夠使溫度持續(xù)升高，有效減少了氣孔的形成，提高打印件致密性和表面質(zhì)量。

各家主流短波長連續(xù)激光器聚焦能力對比

△圖8 不同類型激光器光束參數(shù)對比

(資料來源:公大激光)

圖8展示了單模連續(xù)綠光(GD'S GCL-1000-F-S-W)、多模連續(xù)綠光(Trumps1020)和藍(lán)光TruDisk(NUBURUSBL-1000-F)激光器的光束參數(shù)對比。可以看到，在相同的準(zhǔn)直激光光束直徑和焦距(f)條件下單模連續(xù)綠光(M2=1.1)具有最佳的聚焦效果，其聚焦后的光斑直徑(Df)最小，僅為18.6um。相比之下多模連續(xù)綠光(M2=12.2)則為200um，光束質(zhì)量M2值更大的藍(lán)光(M2=106.2)聚焦光斑直徑(Df)達(dá)到1500um。以上結(jié)果同樣表明，M值越接近1，光束質(zhì)量越好。相同條件下，聚焦光斑直徑越小，能量就越集中，熔融區(qū)域也更穩(wěn)定。綜上，單模連續(xù)綠光激光器被認(rèn)為是滿足高精度、高致密度和高穩(wěn)定銅3D打印的最佳選擇。

綠激光,“能”啟新篇高效領(lǐng)航未來智造!
綠光波長介于近紅外與藍(lán)光之間，銅對其吸收率高達(dá)40%，是近紅外激光的8倍，為銅材料加工帶來革命性突破。極大地提升了能量轉(zhuǎn)化利用率，打印效率大幅提升。
“能”效卓越
與半導(dǎo)體藍(lán)光相比，其優(yōu)異的光束質(zhì)量可實(shí)現(xiàn)高精度聚焦，形成穩(wěn)定而精細(xì)的熔融區(qū)域，打印出的零件表面致密細(xì)膩，完美滿足高端工業(yè)制造對銅件的嚴(yán)格要求，
“能”穩(wěn)全程
與近紅外光相比，綠光激光在加熱過程中吸收率變化平緩，避免了熱失控風(fēng)險，減少了粉末飛濺、塌陷和氣孔等缺陷出現(xiàn)，顯著提高了打印件的良率。
“能”省成本
高反金屬對綠光吸收高，反射少，對設(shè)備內(nèi)部光學(xué)組件的損傷低，從而延長了設(shè)備壽命，降低了維護(hù)成本和停機(jī)時間，提升了設(shè)備的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。
“能”保價值
綠激光技術(shù)不僅顯著提升打印效率，更通過穩(wěn)定的能量輸出與精密的熔融控制，確保成品品質(zhì)高度一致，以持續(xù)可靠的高標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量，為客戶創(chuàng)造最大化價值。

對于需要3D打印銅件的行業(yè)來說，激光的波長選擇至關(guān)重要。近紅外光技術(shù)成熟但銅的吸收率偏低，藍(lán)光吸收率雖高卻難以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量制造，而綠光則在功率輸出、聚焦能力和吸收效率上達(dá)到了理想的平衡。正因如此，越來越多的新一代3D打印設(shè)備開始采用綠光技術(shù)，這不僅是技術(shù)進(jìn)步的體現(xiàn)，更是科學(xué)與工藝融合下的最優(yōu)選擇。隨著綠光激光技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，相信其將在銅3D打印領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，推動相關(guān)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。