在《工藝綜述：近十種鋁合金3D打印工藝匯總，闡述技術特點及應用方向》一文中，3D打印技術參考提到采用激光能量沉積鋁合金多有不便，這是因為鋁合金高導熱、高反射且易氧化，還有一個重要原因在于當前使用的主要光源為紅外激光（1064nm波段）。近日，筆者發(fā)現(xiàn)上海交大的研究人員發(fā)表了一篇名為《Blue laser directed energy deposition of aluminum with synchronously enhanced efficiency and quality》的文章，意味著該校正在開展使用藍色激光3D打印鋁合金的研究。

當前激光沉積技術所使用的紅外激光在沉積鋼、鎳、鈦合金等材料時具有較高的效率，但對于鋁、銅的沉積則面臨成形性差和強度低的挑戰(zhàn)。除了眾所周知的高反射特性，熔池中晶粒的特性也受到溫度梯度和凝固生長速率的影響。具有高斯分布的紅外激光下的高溫梯度會導致柱狀晶粒生長，這對組件的性能不利。此外，由于在低激光功率下有限的熔合及高激光功率下熔池的劇烈波動，低能量轉換效率會導致孔隙的形成，從而降低鋁等高反射金屬的可成形性。

對于高反射金屬的3D打印，一方面可以通過添加光熱吸收成分，還可以尋找更合適的光源，而后者在近年來不斷受到關注。事實上，2022年美國3D打印機制造商Essentium與工業(yè)激光器專家NUBURU宣布正在開發(fā)一種基于藍色激光的新型金屬3D打印機，其采用送絲形式，實現(xiàn)定向能量沉積3D打印。

NUBURU藍色激光

作為一種新型激光源，藍色激光結構緊湊且使用壽命長。對于傳統(tǒng)的高反射率金屬，藍色激光的吸收率高于紅外區(qū)域的吸收率。2017年，大阪大學研究人員開發(fā)了一種250W高功率藍色激光器（445nm），并顯著提高了激光在鋼焊接中的吸收率；2020年，華威大學研究人員使用NUBURU生產的500W二極管藍色激光器焊接AISI和316L不銹鋼，發(fā)現(xiàn)藍色激光焊接可以減少焊接區(qū)域的不連續(xù)性，并具有優(yōu)異的機械性能。除此之外，還有研究人員開發(fā)了高功率藍色激光用于銅焊接的研究。

鋁合金和復合材料已廣泛應用于工業(yè)，迫切需要通過定向能量沉積工藝制造的高質量零件。上海交大的研究人員首先應用納米TiB2包覆AlSi2Mg形成復合材料，然后采用10kW的大功率藍光沉積設備用于實驗。

3D打印技術參考關注了其所使用的設備，為LDM 4030，經查詢是由中科煜宸開發(fā)，光源確實有光纖/藍光的模式可供選擇。上海交大的研究人員通過實驗和模擬對AlSi10Mg/TiB2復合材料在紅外和藍光激光下的成形性能進行了定量分析。

LDM 4030（來自中科煜宸）

LDM 4030設備參數(shù)（來自中科煜宸）

藍色和紅外激光下單軌的加工參數(shù)

不同激光熔化參數(shù)下熔池的激光源模型和實驗橫向截面：（a）高斯紅外激光束，以及P=900W和v = （b）4 mm/s、（c）6 mm/s和（d）10mm/s的紅外激光產生的熔池的能量密度;（e） 平頂藍色激光束，以及藍色激光在P = 900W和v = （f） 4mm/s、（g） 6mm/s和（h）10mm/s時產生的熔池

結果表明，藍色激光在AlSi10Mg/TiB2復合材料的可打印性方面優(yōu)于紅外激光器。

美國在推動采用藍光金屬3D打印方面實際上動作不斷，除上述提到的開發(fā)激光沉積裝備之外，美國空軍在2022年通過“小企業(yè)創(chuàng)新研究”（SBIR）計劃授予了NUBURU第二階段合同，用來開發(fā)基于藍色激光的區(qū)域3D打印技術。

美國空軍希望NUBURU能夠開發(fā)出一種新的基于藍光技術、能獲得高金屬密度、微米級分辨率、零后處理，同時將構建速度提升100倍的新金屬3D打印解決方案。具體可查詢3D打印技術參考的往期文章。

總的來說，藍色激光對金屬3D打印具有特殊的意義，但受限于激光技術的發(fā)展，國內在該領域還未有太多報道。同時，基于藍光的金屬3D打印，也成為了技術細分發(fā)展的重要方向之一，它將特別適合于一些特殊產品的制造。