Возможна ли 3D-печать медью, вольфрамом, цинком по технологии «селективное лазерное сплавление» (СЛП)? Или нет?

В статье: о возможности сложности печати медью, цинком, латунью, вольфрамом по технологии «селективное лазерное плавление» (СЛП, ВЛП, SLM).

Ведение

Спектр материалов для печати методом «селективное лазерное плавление» (СЛП, ВЛП, SLM) достаточно широк – нержавеющие стали, сплавы никеля, хрома, кобальта, титан и его сплавы, алюминий, медно-никелевые сплавы.

Но некоторые материалы оказываются сложными для печати по этой технологии – требуют специальных приемов и режимов печати, или даже специального оборудования для печати.

К таким материалам относится медь, цинк и его сплавы (латунь) и вольфрам.

Медь

Как материал для SLM 3D-печати медный порошок имеет несколько неприятных особенностей:

1. Низкую поглощающую способность лазерного излучения (или по-другому – высокий коэффициент отражения лазерного излучения). Медь отражает 90% лазерного излучения.

Таблица поглощающей способности металлов в зависимости от длины волны лазерного излучения

2. Высокую температуру плавления (1085 градусов по Цельсию)

3. Низкую адгезию к подложкам из нержавеющей стали, что может привести к отслаиванию печатаемых деталей и браку.

Само по себе высокая температура плавления и высокая отражательная способность не является препятствием для 3D-печати методом SLM – нержавеющая сталь имеет более высокую температуру плавления, а алюминий – более высокую отражательную способность. Но вот комбинация этих двух факторов делала до недавнего времени печать меди на SLM-принтерах невозможной.

Способы решения проблем

Проще всего решается вопрос адгезии к подложке – для 3D-печати медью можно использовать подложки из бронзы. А проблемы, связанные с высокой температурой плавления и высокой отражательной способностью, решаются следующим образом:

1) Замена материала. Цвет меди – красный, достаточно ввести легирующие добавки, чтобы изменить цвет сплава, а значит изменить и отражающую способность. Обычно вместо печати чистой медью предлагают печать бронзой (Cu90Sn10), сплав имеет желтый цвет. В нашей стране возможна печать хромистыми бронзами – БрХ и БрХЦр, эти сплавы имеют желто-коричневый цвет. За рубежом печать аналогами БрХЦр так же распространена.

2) Замена цвета лазера (изменение длины волны). Так, если вместо «традиционного» волоконооптического иттербиевого лазера (1030…1080 нм) использовать «зеленый» лазер (длина волны 515 нм) или «синий» лазер (длина волны 445 нм) – то коэффициент поглощения лазерного излучения резко вырастет, в несколько раз. Опыты с «зеленым» лазером ведутся с 2017 года Институтом лазерных технологий Фраунгофера (ILT), но так и недоведены до серийных изделий. Первый серийный SLM принтер с «синим» лазером появился в 2025 году – см.ниже.

Рекламное фото экспериментальной SLM-печати с использованием "зеленого" лазера

3) Разработка специальных режимов 3D-печати медным порошком. Включают в себя предварительный нагрев порошка до 500 градусов по Цельсию и выше и особые режимы сканирования. Первенцем в этой области были китайцы, фирмы Farsoon и ZRapid, которые декларируют у своих принтеров ZRapid iSLM 420 и Farsoon FS121M и FS421M возможность печати медью. На выставке "Формнекст" 2024 свои медные детали, отпечатанные на SLM-машинах представила и Eplus3D.

Пример напечатанных медных деталей на китайских SLM-принтерах

Следующими стали АО «Лазерные системы», которые разработали для своих SLM 3D-принтеров режимы печати медным порошком

Пример напечатанных изделий из меди на принтерах АО «Лазерные системы»

Из отечественных производителей возможность печати медью так же декларировал 3DLAM, но это был просто рекламный трюк, связанный с открытостью системы – пользователь может использовать любые порошки и сам задавать режимы сканирования, никаких опытов по печати медью 3DLAM не производит и результатов в виде медных деталей не предоставлял.

Дополнение от 25 апреля 2025 года

В 2025 года в продажу поступили серийные принтеры А50 от AO Metal, оснащённые двумя лазерами 500 или 1000Вт с длиной волны 1064 нм и лазером 250Вт с длиной волны 445нм («синий лазер»), и подогревом платформы до 900 градусов по Цельсию, что позволяет работать практически со всеми материалами, включая и медь. На текущей момент это единственный серийный SLM 3D-принтер с «синим» лазером. Принтер предназначен в первую очередь для исследовательских целей – объем построения – цилиндр диаметром 50мм, высотой 100мм, но может использоваться и для промышленного выращивания деталей небольшого размера.

Внешний вид принтера А50 от AO Metal

Вольфрам

Особенность вольфрама – высокая температура плавления (3422 градусов по Цельсию), что требует медленного сканирования, предварительный нагрев порошка и мощный лазерный излучатель. Например, в принтере А50 при печати из порошка вольфрама используется предварительный нагрев до 900 градусов по Цельсию и лазер мощностью 500Вт на область построения 50х50мм.

Долгое время никто даже не пытался использовать вольфрам в SLM 3D-принтерах, но в 2022 году российским исследователям их НИТУ «МИСиС» удалось напечатать вольфрамом детали с тонкой стенкой толщиной 100 мкм:

Пример напечатанной решетки из вольфрама

Режимы печати не разглашаются, известно только, что использовался китайский SLM-принтер HBD 350 и ПО VoxelDance Additive. Достигнута плотность печатных образцов 96,7%. Исследователи не остановились и продолжили опыты, сейчас работают над композитами из 3D-печатных вольфрамовых матриц, заполненных медью методом инфильтрации после печати:

Пример композитного материала из вольфрамовом матрицы, инфильтрованной медью

Предполагается такие «композитные» изделия использовать в качестве теплоотводов в атомной промышленности.

Цинк и его сплавы

Особенность цинка – его летучесть. Температура кипения цинка составляет 906 градусов по Цельсию, существенное испарение начинается уже при температуре 600 градусов по Цельсию. При перегреве цинковых сплавов выше температуры кипения цинка происходит его испарения с эффектом «кипения» расплава.

Таким образом, основная сложность 3D-печати цинком и его сплавами – четкий контроль температуры. Необходимо не допускать перегрева при сплавлении, при этом поддерживать достаточную для сплавления температуру.

Но в отличии от меди и вольфрама, 3D-печать цинком не очень-то и нужна – и поэтому опыты по печати цинком никто, кроме американских военных, не проводил.

А вот 3D-печать латунью может иметь коммерческие перспективы. а может и не иметь… И специальные принтеры для 3D-печати латунью предлагают итальянские инженеры – фирма 3D4mec с 2019 года предлагает специальный SLM-принтер 3D4brass для печати латунью.

Реклама принтера 3D4brass

Заключение

Эксперименты по SLM 3D-печати различными порошками, отработка режимов печати происходит постоянно, в десятках научных центрах, параллельно происходит снижение цен на оборудование – есть все предпосылки, чтобы SLM-печать получила достаточно широкое распространение в технике.

Другие статьи про SLM 3D-печать: