En tant que matériau clé dans le secteur des poudres métalliques, le cuivre et ses alliages, avec leur conductivité électrique, leur conductivité thermique et leur résistance à la corrosion exceptionnelles, occupent une position irremplaçable dans les domaines manufacturiers haut de gamme tels que l'aérospatiale, l'électronique, les véhicules électriques, etc. Cependant, l’application de poudre de cuivre à la fusion laser sur lit de poudre (LPBF), une technologie de fabrication additive métallique courante, est depuis longtemps confrontée à un défi majeur : l’efficacité de couplage énergétique extrêmement faible entre les lasers infrarouges traditionnels et le matériau en cuivre. Ces dernières années, avec la maturation de la technologie laser vert et l'optimisation en profondeur des solutions laser rouge, les entreprises nationales ont introduit des approches technologiques différenciées basées sur ces différentes longueurs d'onde, offrant à l'industrie des solutions diverses.
La difficulté de la fabrication additive de poudre de cuivre vient des caractéristiques de son matériau : haute réflectivité et haute conductivité thermique. Pour les lasers infrarouges proches -traditionnels avec des longueurs d'onde d'environ 1 064 nm, la réflectivité du cuivre solide dépasse 95 %, ce qui signifie que la grande majorité de l'énergie laser est directement réfléchie et ne peut pas être utilisée efficacement pour la fusion de la poudre. Même si une certaine énergie est absorbée, la conductivité thermique élevée du cuivre, atteignant 390 W/(m·K) (environ cinq fois celle de l'acier inoxydable), provoque une dissipation rapide de la chaleur, conduisant à un bain de fusion instable et à une forte susceptibilité aux défauts tels que la porosité, le manque de fusion et les éclaboussures. Le cœur de la résolution de ce problème réside dans l’utilisation du principe physique selon lequel l’absorbance laser du cuivre varie en fonction de la longueur d’onde. La recherche montre qu'à température ambiante, l'absorptivité du cuivre pour le laser infrarouge de 1 064 nm n'est que de 4 à 5 %, alors que pour la lumière verte de 515 à 532 nm, elle grimpe à environ 40 %, soit une augmentation de près d'un ordre de grandeur. Cette différence significative d’absorptivité provient des mécanismes distincts d’interaction entre les photons de différentes longueurs d’onde et les électrons libres du cuivre. Les photons de longueur d'onde plus courte (verts) possèdent une énergie plus élevée et sont plus facilement absorbés par les électrons du cuivre et convertis en chaleur, améliorant fondamentalement l'efficacité d'utilisation de l'énergie laser.
Relever les défis techniques :
1. Problème de faible capacité d’absorption : La faible capacité d’absorption intrinsèque du cuivre pour la lumière laser rouge est une contrainte physique principale. Ce problème est résolu grâce à une conception complète du -système à haute résistance à la réflexion-, impliquant une personnalisation approfondie de l'architecture de l'équipement aux paramètres de processus afin d'optimiser l'efficacité de la transmission d'énergie.
2. Fenêtre de processus étroite : L’impression laser rouge de la poudre de cuivre nécessite un contrôle de processus plus précis. Ce problème est résolu en utilisant un processus de fabrication de poudre GHA (atomisation de gaz) auto-développé pour produire une poudre de cuivre de haute pureté avec une sphéricité supérieure ou égale à 95 % et une teneur en oxygène.<200 ppm, providing a material foundation for process optimization.
3. Défi de gestion thermique : La conductivité thermique élevée du cuivre entraîne une dissipation rapide de la chaleur. Grâce à une « synergie profonde » entre la poudre, l'équipement et le processus, une percée a été réalisée dans la stabilisation de la conductivité thermique dans la plage de 400-410 W/(m·K), permettant aux performances thermiques des composants imprimés en 3D de revenir au niveau idéal typique du cuivre pur conventionnel.
Scénarios d'application : la solution laser rouge est particulièrement adaptée aux applications où la sensibilité aux coûts, la production par lots de pièces de grand format et les exigences de conductivité thermique extrêmement élevées sont primordiales, telles que les plaques de refroidissement liquide des centres de données, les échangeurs de chaleur à grande échelle et les substrats de dissipation thermique pour l'électronique de puissance.