銅とその合金は、金属粉末分野の主要素材として、優れた導電性、熱伝導性、耐食性を備えており、航空宇宙、エレクトロニクス、電気自動車などのハイエンド製造分野でかけがえのない地位を占めています。{0}しかし、主流の金属積層造形技術であるレーザーパウダーベッドフュージョン（LPBF）に銅粉末を適用することは、長年にわたり中核的な課題、つまり従来の赤外線レーザーと銅材料の間のエネルギー結合効率が非常に低いことに直面していました。近年、緑色レーザー技術の成熟と赤色レーザー ソリューションの徹底的な最適化により、国内企業はこれらの異なる波長に基づいた差別化された技術アプローチを導入し、業界に多様なソリューションを提供しています。{3}}
銅粉末の積層造形の難しさは、その材料特性、つまり高い反射率と高い熱伝導率に起因しています。 1064nm 付近の波長を持つ従来の近赤外レーザーの場合、固体銅の反射率は 95% を超えます。これは、レーザー エネルギーの大部分が直接反射され、粉末の溶解に効果的に使用できないことを意味します。たとえエネルギーが吸収されたとしても、銅の熱伝導率は 390 W/(m・K) (ステンレス鋼の約 5 倍) に達するため、急速な熱放散を引き起こし、不安定な溶融池が形成され、気孔、溶融の欠如、スパッタなどの欠陥が発生しやすくなります。この問題を解決する核心は、銅のレーザー吸収率が波長によって変化するという物理原理を利用することにあります。研究によると、室温では、1064nmの赤外線レーザーに対する銅の吸収率はわずか4%～5%ですが、515～532nmの緑色光では約40%に跳ね上がり、ほぼ1桁増加します。この吸収率の大きな違いは、異なる波長の光子と銅の自由電子の間の相互作用の明確なメカニズムに起因します。波長が短い (緑色) 光子はより高いエネルギーを持っており、銅の電子により容易に吸収されて熱に変換され、レーザー エネルギーの利用効率が根本的に向上します。
技術的な課題への対処:
1. 低い吸収率の問題: 赤色レーザー光に対する銅の本質的な低い吸収率は、主な物理的制約です。この問題は、エネルギー伝送効率を最適化するための装置アーキテクチャからプロセス パラメータに至るまでの詳細なカスタマイズを含む、システム全体の高反射抵抗設計を通じて解決されます。-
2. 狭いプロセスウィンドウ: 銅粉の赤色レーザー印刷には、より正確なプロセス制御が必要です。この問題は、自社開発の GHA (ガス アトマイゼーション) 粉末製造プロセスを利用して、真球度 95% 以上で酸素含有量が高い高純度の銅粉末を生成することで解決されています。{{3}<200 ppm, providing a material foundation for process optimization.
3. 熱管理の課題: 銅は熱伝導率が高いため、急速な熱放散が発生します。粉末、装置、プロセス間の「深い相乗効果」により、熱伝導率を 400-410 W/(m・K) の範囲で安定させるという画期的な進歩が達成され、3D プリント部品の熱性能を従来の純銅に典型的な理想的なレベルに戻すことが可能になりました。
アプリケーション シナリオ: 赤色レーザー ソリューションは、データセンターの液冷プレート、大規模熱交換器、パワー エレクトロニクス用の放熱基板など、コスト重視、大判部品のバッチ生産、非常に高い熱伝導率の要件が最優先されるアプリケーションに特に適しています。{{2}