上海交通大学の研究チームは、Xihe Additive Green Laser 3D Printing Equipmentを使用して、高品質の純銅デバイスの積層製造を実現しました。

はじめに：純銅と銅合金は、高熱伝導率、高電気伝導率、耐腐食性などの優れた特性を備えており、航空宇宙、新エネルギー、ビッグデータ、自動車工学、ジュエリーなどの分野で広く使用されています。

レーザー粉末床溶融結合（LPBF、選択溶融/SLMとも呼ばれる）技術は、複雑な金属部品の高精度かつ高効率な一体成形が可能であり、金属積層造形分野の主流技術へと急速に発展しています。

従来の LPBF 装置では、光源として赤外線レーザーを使用するのが一般的ですが、銅や銅合金などの反射率の高い金属材料では赤外線レーザーの吸収率が低くなります。赤外線レーザーがこれらの金属材料と相互作用すると、レーザーエネルギーの大部分は材料に吸収されずに機器に反射されます。これにより、材料が不完全に溶融して内部に気孔や空隙が形成されるだけでなく、デバイスの光学部品が損傷して安定性に影響を及ぼし、耐用年数が短くなる可能性もあります。そのため、従来の LPBF 装置では、反射率の高い金属を印刷する場合、印刷部品の密度が低い、印刷効率が低い、飛散がひどい、装置の不安定性など、多くの困難に直面しています。

銅や銅合金などの反射率の高い金属は、赤外線帯域よりも緑色光帯域での吸収率が著しく高くなります。緑色光を使用してこれらの材料を溶かすと、レーザーエネルギーの大部分が材料に効果的に吸収され、十分な溶解が得られ、高密度の印刷が可能になります。同時に、レーザーエネルギーの利用率が高いため、印刷効率も大幅に向上します。さらに、緑色光のエネルギー利用率が高いため、材料が反射するレーザーエネルギーが少なくなり、溶融プロセス中の飛散現象が効果的に低減され、機器の長期にわたる連続的で安定した動作に対する重要な保証が提供されます。

深セン西和加成科技有限公司（西和加成）は、独自に開発した高出力シングルモードファイバーグリーンレーザーをベースにしたグリーンレーザーパウダーベッドフュージョン（GL-PBF）装置を開発し、高品質銅部品の積層造形に新たな機会を提供しています。これらのデバイスにより、銅および銅合金の付加製造がより実現可能かつ効率的になり、反射率の高い金属材料の革新的な用途への新たな道が開かれます。

△ 図1. さまざまな波長のレーザーに対する一般的な金属材料の吸収率、出典：www.addireen.com
2024年10月、上海交通大学核科学工学学院と上海大学材料ゲノム工学学院の研究チームは、材料加工・製造技術の研究に特化した国際学術誌「Journal of Materials Processing Technology」に「緑色レーザーによる付加製造純銅の電気的・機械的特性向上」（DOI: 10.1016/j.jmatprotec.20 24.118615）と題する論文を発表しました。この研究は、緑色レーザー粉末床溶融結合（GL-PBF）技術を通じて純銅の高反射率問題を解決することを目的としています。同時に、銅部品の相対密度、表面粗さ、機械的特性、導電性に注目し、純銅 GL-PBF プロセスパラメータの最適化における研究ギャップを埋め、高反射金属材料のレーザー積層造形のフレームワークを提供します。この研究では、科学研究分野におけるXihe Additiveの緑色レーザー金属3D印刷装置の優れた応用能力も実証され、さらに銅材料の付加製造における緑色レーザー粉末床融合技術（GL-PBF）の優れた性能が検証されました。

実験では、研究チームは、Xihe Additive 社の XH-M160G 緑色レーザー (λ = 532 nm) 装置を使用して純銅粉末を印刷しました。緑色レーザーの波長（約 532 nm）は銅の反射特性と一致するため、材料はレーザーエネルギーをよりよく吸収することができ、結果として溶解効率が向上し、熱分布がより均一になります。これにより、最終製品の物理的特性が向上し、より多くのアプリケーションシナリオに対応できるようになります。 Xihe Additive の XH-M160G 装置は、平均スポット径 30μm、銅粉の吸収率が約 85% の 500W シングルモード連続ファイバーレーザーを使用しています。この研究では、スキャン間隔を固定し、スキャン速度、レーザー出力などのパラメータを調整し、さまざまな条件下での実験サンプルの微細構造、機械的特性、電気的特性の変化を観察し、これらの要因が材料特性に与える影響を体系的に調査しました。

この研究は、緑色レーザー粉末床溶融結合（GL-PBF）技術に焦点を当て、そのプロセスパラメータが銅部品の製造プロセスにおける材料のさまざまな特性にどのように影響するかを調査し、純銅サンプルの緻密化、微細構造、表面粗さ、機械的特性、電気伝導性における重要な役割を明らかにします。研究結果によると、GL-PBFパラメータを最適化することで、相対密度99.9%以上、電気伝導率98%の国際軟銅規格（IACS）の銅部品が実現できることがわかりました。この発見は、積層造形分野におけるグリーンレーザーの大きな可能性を裏付けるものでもあります。さらに、この研究では、実験と有限要素解析モデリングを組み合わせて、欠陥形態が印刷材料の導電性に与える影響をさらに調査しました。導電性と多孔性の関係について複数のモデルが提案され、積層造形プロセスでこれらの欠陥を制御する方法について新たな視点が示されました。

△ 図2. グラフィカルアブストラクト、出典: https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2024.118615
グリーンレーザーパウダーベッドフュージョン（GL-PBF）テクノロジーは、純銅や銅合金の効率的で高品質な印刷を可能にするだけでなく、他の高反射金属や高融点金属材料（金、プラチナ、銀、タンタル、タングステンなど）の積層造形のための新しいソリューションも提供します。さらに、従来の金属材料をより効率的かつ精細に印刷するための新しいソリューションも提供します。

△図3. Xihe Additiveの緑色レーザー3D金属装置は、Cu、CuCrZr、CuCrNb、CuSn10サンプルを印刷します。深センXihe Additive Technology Co., Ltd.は、中国の緑色レーザー3D印刷総合ソリューションプロバイダーとして、高反射金属積層造形装置の研究開発と製造に重点を置いています。装置の光源には、独自に開発された500〜1000Wの高出力シングルモード連続ファイバー緑色光レーザーが採用されており、出力ビームはビーム品質が高く、安定性が高く、焦点が小さいという利点があります。 Xihe Additive の GL-PBF 装置は、従来の LPBF 装置と比較して、純銅、銅合金、金、プラチナなどの材料の付加製造において、成形効率が高く、成形品質が優れ、印刷解像度が高く、プロセスウィンドウが広いなどの利点があります。

Xihe Additiveは、多数のグリーンレーザー金属3Dプリント装置（M160G、M350G、M100Gなど）の発売に成功しており、航空宇宙、新エネルギー車、誘導加熱コイル、高速通信装置などの産業分野で広く使用されています。これらの装置で印刷された純銅部品の熱伝導率は 390W/m·K に達します。印刷された液体冷却放熱部品と熱交換部品は、壁厚 0.5mm の条件下で 8MPa を超える水圧に耐えることができます。印刷された TPMS 構造放熱部品の最も薄い壁厚は 0.08mm に達します。

今後も深セン西和加成科技有限公司は、高性能グリーンレーザー3Dプリンター設備の技術革新を継続的に模索し、GL-PBF技術のさまざまな業界での革新的な応用を推進し、世界のハイエンド製造業の持続的な発展に貢献していきます。

上海交通大学の研究チームは、Xihe Additive Green Laser 3D Printing Equipmentを使用して、高品質の純銅デバイスの積層製造を実現しました。

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