激光加工厂：纷纷入局的激光3D打印工作原理和技术优势

纯铜及铜合金因其优异的导电性、导热性、耐腐蚀性和韧性，广泛应用于航空航天、机械制造、汽车和3C电子等领域。但纯铜的高热导率、高反射率和氧化敏感性，导致热量扩散快、激光吸收效率低且易出现飞溅，给3D打印带来技术挑战。

因此，绿激光3D打印机成为解决这一难题的有效方案。绿激光的短波长相比近红外激光对金属具有更高的吸收率，是打印高反射金属的更优选择。在常温条件下，铜材料对1064nm近红外激光的吸收率不足5%，而对532nm绿激光的吸收率可达40%，是传统近红外激光的8倍，有效提升了打印效率和质量。

2024年绿激光3D打印机竞速赛：各大厂商火力全开

如今，基于绿光激光的LPBF设备已成功实现商业化。早在2018年，通快公司率先推出全球首款绿激光3D打印机TruPrint 1000绿光版，该设备配备515nm绿光激光器，能够高效加工纯铜、铜合金以及贵金属等高反射性材料。随后，在2022年，通快又推出新一代大型绿光3D打印机TruPrint 5000绿光版。

到了2023年，中国在绿激光3D打印设备的商业化进程中取得了重要突破。希禾增材率先推出XH-M160G设备，成为国内首家、全球第二家成功商业化绿激光LPBF设备的厂商。2024年，希禾增材再次推出中大成型尺寸的XH-M350G设备。随着希禾增材在绿激光SLM 3D打印领域一路高歌猛进，其他厂商也迅速跟进。

2024年5月，汉邦激光在TCT亚洲展上正式推出HBD S400G绿激光金属增材制造设备，成型尺寸可达400×350×400mm。2024年7月，铂力特也宣布推出全新绿激光技术方案，但具体机型尚未披露。紧接着，镭明激光于12月宣布基于LiM-X系列SLM设备推出绿激光增材制造解决方案。

20亿美元潜力铜粉市场：中体新材蓄势崛起

随着设备厂商的争相入局，应用成本有望逐步降低，这将进一步推动3D打印纯铜及铜合金材料在航空航天、电子、医疗等高端领域的广泛应用。然而，想要在应用端实现突破，除了设备的改进之外，材料的发展同样是至关重要的因素。

以球形纯铜粉为例，其存在极易氧化的问题，为确保打印部件具备优异的导电性和良好的力学性能，需要采取有效措施，使其能够在电子、电力等对导电性要求极高的领域中稳定发挥作用。这不仅可以延长纯铜部件的使用寿命，还能减少因氧化导致的性能衰退和材料损耗，从而显著节省维护和材料更换成本。

为此，作为在3D打印金属材料领域持续深耕的创新型企业，中体新材推出了球形纯铜粉抗氧化技术，成功解决了纯铜粉极易氧化的难题。该技术在纯铜粉的生产、储存、运输以及3D打印全过程中形成一层稳定且有效的保护膜，将氧含量严格控制在极低水平，从而确保纯铜粉的高导电性与优异性能。

同时，中体新材自主研发的AMP生产工艺，实现了3D打印纯铜粉的规模化生产。通过对气雾化工艺的精心优化与持续创新，中体新材每月能够稳定产出超过十吨的3D打印纯铜粉，为大规模生产提供了可靠的供应保障。

根据市场调研机构Verifiedmarketreports发布的行业报告《Copper Powder for 3D Printing Market》，2022年3D打印铜粉市场规模为8.5亿美元，预计到2030年将达到21亿美元，2024年至2030年的复合年增长率为12.1%。

在当前广阔的铜粉市场中，铜合金的应用范围更加广泛，其中铜铬锆（CuCrZr）合金是典型的高强高导铜合金之一。在这种合金体系中，锆（Zr）元素的含量对整体性能起着关键作用，能够有效抑制晶粒生长，确保材料在高温环境下仍具备良好的机械强度、硬度以及导电性。然而，在材料加工过程中，锆元素极易发生烧损，使得合金成分比例的精确控制成为行业的一大难题。

金相块光学图像

中体新材成功突破这一瓶颈，开发出稳定且精确的锆成分控制技术，将锆的含量范围精确控制在0.1-1%之间，并将成分偏差严格限制在0.1%以内。这一精准的成分控制技术确保了每一批次铜铬锆粉的性能一致性，为工业化应用提供了稳定的材料保障。

中体新材的高强高导铜铬锆合金粉（CNPC-CuCrZr 15-53μm）

• 流动性：具备出色的流动性，霍尔流速小于20S/50g，能够满足激光粉末床熔融（LPBF）的打印需求。

• 烧结活性：良好的烧结活性，使打印件具有较高的机械性能，适用于高性能部件制造。

样品致密度测试

热处理后的拉升性能测试

测试结果显示，中体新材生产的铜铬锆（CuCrZr）合金粉具有优异的性能表现：样品维氏硬度平均值为175.3，致密度平均值超过99%；经过热处理后的抗拉强度达到584MPa，屈服强度为487MPa，延伸率为20%。目前，中体新材已具备每月生产数吨高品质铜铬锆合金粉的稳定产能，能够为行业提供及时且可靠的材料供应，满足高端制造领域的需求。

多元化领域拓展：3D打印纯铜及铜合金的广泛应用

随着材料性能的提升和工艺的优化，3D打印纯铜及铜合金粉的应用领域正在不断拓展，其在多个高端制造领域展现出巨大的潜力：

航空航天领域

3D打印铜合金粉可用于制造复杂的航空发动机零部件和卫星结构件。例如：

• 航空电子设备外壳：利用铜合金的高导热性，制造高性能散热组件，确保设备在高温环境下稳定运行。

• 卫星天线结构：通过轻量化设计和精确加工，提升天线的精度和性能，降低卫星发射成本。
  

汽车制造领域

在汽车制造中，3D打印铜合金部件可满足关键零部件的高性能需求：

• 发动机缸体和散热器：铜合金的优异导热性帮助提高发动机散热效率，增强工作性能和可靠性。

• 制动系统：高强度和轻量化的铜合金材料有助于降低整车重量，提升燃油经济性和驾驶性能。
  

模具制造领域

3D打印铜合金模具为工业生产带来了更多可能：

• 复杂冷却通道设计：3D打印可实现冷却通道的一体化制造，提升模具的冷却效率。

• 快速散热：铜合金良好的导热性缩短了成型周期，同时提高模具的使用寿命和生产效率。
  

医疗领域

个性化医疗器械是3D打印铜合金材料的创新应用：

• 植入物：根据患者解剖结构和需求，制造高精度的关节假体、脊柱固定器等植入物。

• 抗菌性能：铜合金天然抗菌且具有良好的生物相容性，为患者提供更安全的治疗效果和更快的康复体验。
  

通过不断提升材料性能和优化制造工艺，3D打印纯铜及铜合金粉在航空航天、汽车、模具制造及医疗等领域的应用潜力将进一步释放，为行业发展注入新的活力。展望未来，材料创新、工艺优化和应用拓展将成为推动3D打印铜合金粉持续发展的三大引擎。

作为金属3D打印粉末材料的领头羊，中体新材计划进一步深化研究，探索更多新型铜合金元素的组合与配比，通过精准控制合金元素的添加量和表面改性工艺参数，不断提升铜合金粉的激光吸收率和成形质量。

与此同时，中体新材将致力于开发具有更高强度、更优导电导热性以及更强耐热性能的铜合金材料。这些创新将为3D打印铜合金部件在更多领域的应用奠定坚实的材料基础，推动技术进步和产业升级。

激光3D打印设备作为现代制造业的一项重要技术革新，正逐步渗透到各个工业领域，以其高精度、高效率以及广泛的材料适应性，引领着制造业的转型升级。

　　产品结构

　　激光3D打印设备主要由激光器、、扫描仪、工作台和控制系统四大核心部分组成。激光器作为能量源，产生高强度的激光束，这是实现材料固化的关键。扫描仪则根据预设的三维模型数据，精确控制激光束在三维空间中的移动路径，确保每一层材料的精确固化。工作台用于支撑和固定打印中的物体，确保打印过程的稳定性。而控制系统则是整个设备的“大脑”，负责协调各部分的工作，确保整个打印流程的高效、精准运行。

　　工作原理

　　激光3D打印的工作原理基于激光聚合技术，即通过激光束照射光敏材料，引发材料分子的聚合反应，从而实现材料的固化。这一过程分为多个层级进行，每一层都根据三维模型数据进行精确扫描固化，层层参加，最终形成完整的三维实体。相较于传统的减材制造和等材制造技术，激光3D打印的增材制造方式极大地提高了材料利用率，降低了制造成本，同时赋予了产品设计更大的自由度。

　　技术优势

　　激光3D打印技术以其独特的优势，在制造业中脱颖而出。首先，其打印精度可达到微米级别，满足高精度零件制造的需求。其次，激光3D打印的打印速度相较于传统3D打印技术有了显著提升，大大缩短了产品制造周期。此外，激光3D打印能够处理多种材料，包括光敏树脂、塑料、金属甚至陶瓷等，为产品设计和制造提供了更多的可能性。最重要的是，激光3D打印能够实现复杂结构的一体化成型，无需后续组装，进一步降低了制造成本，提高了产品的可靠性和耐用性。

3D激光打印机是结合了3D打印技术和激光加工技术的一种先进设备。它通常用于生产高精度和复杂形状的零件。以下是关于3D激光打印机的一些关键点：

1. 　　技术原理：

• 3D激光打印机通常基于选区激光熔化（SLM）或选区激光烧结（SLS）技术，这些技术使用激光来熔化或烧结粉末材料层。

• 打印过程中，激光束按照数字模型逐层熔融或烧结材料，最终形成三维实体。

• 　　材料选择：

• 常用的材料包括金属粉末（如钛合金、不锈钢、铝合金）、塑料粉末、陶瓷粉末等。

• 由于激光的高能量密度，3D激光打印机能够处理多种高熔点材料。

• 　　应用领域：

• 主要应用于航空航天、医疗、汽车、模具制造等行业。

• 特别适合于制造小批量定制化零件、复杂结构的元件，以及传统制造难以实现的精密部件。

• 　　优势：

• 高精度：激光技术能够实现非常高的制造精度和细节。

• 灵活性：能够快速响应设计变更和个性化需求。

• 材料利用率高：较少的材料浪费，与传统切削加工相比更为环保。

• 　　挑战：

• 成本较高：设备和材料的成本高于普通3D打印机。

• 速度较慢：打印速度相对较慢，特别是较大零件的制造。

• 技术复杂性：操作和维护需要专业知识。

　　总之，3D激光打印机在需要高精度、高性能和复杂几何形状的制造领域具有重要的应用价值。随着技术的发展，其应用范围和经济性将进一步提升。

传统激光金属3D打印的发展与挑战

现代金属增材制造机器通常采用单模、掺镱（Yb）光纤激光器，并且常常与二轴、三轴甚至四轴的振镜扫描器配对使用。单模激光束的低发散角和卓越的聚焦特性使得即使在长距离和使用小孔径光学元件的情况下，也能实现尽可能小的光斑尺寸，从而制造出精细的特征。在过去的二十五年中，连续波掺镱光纤激光器已成为大多数PBF-LB机器的首选光源。

单模光纤激光器的功率输出与金属3D打印市场的需求保持同步。在2000年代初，LPBF机器开始使用100-200瓦的激光器，然后在2010年代转向400-700瓦的激光器。对于典型的聚焦光斑尺寸，100微米直径/500瓦单模光纤激光器被确定足以满足大多数工艺和材料的需求。

到了2020年，设备制造商能够通过使用变焦透镜增大激光在粉末上的光斑，或者使用扫描器的去焦功能，来实现1千瓦单模激光器的应用。这些策略通过增加扫描间距来提高生产率，有时这还会与增加层厚相结合。

为了提高生产效率，设备制造商开始在每台机器上增加更多的激光器。然而，简单地增加更多激光器虽然可以提高生产效率，但随着激光器数量的增加，生产效率的提升会逐渐减少，同时总拥有成本也会增加。此外，将众多激光器集成到机器中也变得复杂、设备变得笨重。行业面临的挑战是明确的，为了使LPBF迈向更高生产率、更低成本、更可靠和可重复的过程，必须找到一种新的激光方法。

动态光束整形技术的兴起

动态光束整形技术的出现，正是为了解决上述挑战。它允许激光器在同一设备内快速（微秒级时间尺度）切换光束轮廓，无需牺牲光束质量。这一技术的核心在于能够根据需要选择适当的光束形状，以适应不同的应用和构建需求。

早期的研究集中在实验各种光束形状和强度分布，以“平坦”熔融材料下的光束足迹的温度场。平顶光束轮廓似乎是显而易见的选择。然而，当高斯轮廓被转换成其他强度轮廓时，光束质量会迅速下降。在单模光束和更大的非高斯轮廓之间切换是期望的，但光束质量不能因此而受到太大影响。

为不同几何形状选择不同的光束形状

应用光束整形来局部优化微观结构，提高涡轮叶片的性能

nLIGHT公司在2020年推出的Corona AFX激光器是首个能够在单模高斯和六种其他光束轮廓之间切换的光纤激光器，其中一些光束轮廓的尺寸是原来的三倍。AFX激光器可以作为真正的高斯光束运行，但与常规激光器不同，它们有能力将功率转移到外环。随着相关设置的增加，功率以阶梯方式从核心转移到外环。当更多功率转移到环上时，功率密度或单位面积的功率会降低。

动态光束整形技术的优势与应用

动态光束整形技术通过允许在同一激光器内快速切换光束轮廓，为PBF-LB带来了显著的优势。以下是该技术的几个关键优势及其在具体应用中的体现：

·提高生产率：通过使用更大的光斑和更宽的熔道间距，动态光束整形能够更高效地进行大面积制造，从而整体提高生产率。

动态光束整形的经济优势

·降低成本：动态光束整形不仅提高了生产率，还显著降低了零件成本。一项研究比较了使用1千瓦AFX激光器与使用1千瓦标准激光器的LPBF零件成本。结果显示，通过动态光束整形实现的生产率增益，使得使用单个AFX激光器的零件成本相当于四个标准激光器。这主要是由于AFX激光器能够通过优化光束形状来减少激光开启时间，同时保持高质量。

nLIGHT AFX动态光束整形改变了PBF-LB的成本曲线

·优化熔池稳定性：环形光束通过将强度分布在环的外围，解决了高斯光束中中心强度和热量过剩的问题。这种分布使得熔池的温度分布更加平坦和宽广，从而提高了熔池的稳定性。稳定的熔池有助于减少缺陷，如球化或凸起，这些缺陷在高强度激光下可能出现。此外，环形光束还可以实现更高的扫描速度和更大的层厚度，进一步加速生产并降低成本。

高斯光束、平顶光束和环形光束的光束轮廓、 温度响应以及由此产生的熔池形状

环形束加工显示AlSi10Mg的烟尘和飞溅减少了75%

·扩大工艺窗口：动态光束整形技术还通过提供更大的工艺窗口来增强PBF-LB的适用性。工艺窗口是指在不牺牲质量的前提下，可以成功制造零件的一组工艺参数。环形光束通过更均匀地分布热量输入并降低整体能量密度，使得使用超过1千瓦功率的LPBF机器成为可能。这显著扩大了可用于不同材料系统的工艺参数

高斯光束和AFX光束的处理窗口

一个显而易见的结论是，光束整形策略确实可以给金属3D打印的质量控制和低成本制造带来好处 。随着国内外企业对该技术的积极研究和应用，预示着动态光束整形将成为推动金属3D打印技术迈向更高效率、更低成本、更可靠和可重复过程的关键力量，展现出广阔的发展前景和巨大的市场潜力。3D打印技术参考 认为，一旦 国内设备商推出了基于光束整形的金属3D打印机，很有可能会引起新一波的市场增长和技术研究热潮。