供稿人:杨东、李涤尘 发布日期：2017-10-27
铜不仅以其延展性著称，同时其导热性能也十分优异，研究表明铜金属的导热性能仅次于银。因此铜及其合金在航空、国防等领域的复杂冷却或传热部件中应用前景广泛。看起来似乎是一种理想的金属3D打印材料，但也正是由于这种导热性让铜难以3D打印，因为它太能传递激光束施加的热量了，使得激光照射在材料上的热量难以集中以熔化粉末，也使得精细特征的成形变得困难。铜金属难以3D打印的另一个原因是其拥有极高的激光反射率。
德国阿贝光子学中心以及弗劳恩霍夫研究所科研人员采用超短脉冲激光选区熔化技术(SLM)成功制备出了厚度在100um以下的薄壁铜结构，并确定了合适的工艺制备窗口。铜及其合金导热性和反射性极佳，3D打印铜金属比较困难。阿贝光子学中心等研究人员利用极高能量密度的超短脉冲激光作为能量源，提高铜金属粉末对激光的吸收率；通过调整脉冲重复率来优化控制目标打印区温度场及粉末熔化粘结情况。激光器参数如表1所示。
表1 超短脉冲激光器参数
图1（a）为选取脉冲重复率为20MHZ，脉冲能量密度从0.1到1.25uJ，激光线能量密度从10J/m时成形的典型试样；图（b）扫描策略，黑色虚线为跳转轨迹
图2（a）成形不同铜金属结构：成形尺寸2x2x1.4mm3； (b) 电镜下采用粉末颗粒粘结成形的多孔结构形貌：脉冲重复利用率20MHZ，脉冲能量1.25uJ,扫描速度833mm/s；（c）聚焦离子束策略下试样的表面形貌；（d）为（c）的放大图
图3 （a）不同工艺组下成形直径为3mm的典型薄壁结构；（b）成形的厚度小于100um薄壁：脉冲能量1.0uJ,扫描速度666mm/s
通过超短脉冲激光实现了铜金属的薄壁复杂结构成形，且薄壁厚度小于100um，该研究对于铜及其合金在航空、国防及微电子等领域的换热、传热、导电等复杂结构部件应用起到了良好的推动作用。