Processability of 99.9% pure Cu by SLM using a 1kW single mode fiber laser

Selective Laser Melting (SLM) is configuring day by day as a key process for industrial fields such as electronics, automotive and aerospace sectors where its capability to fabricate complex shapes can allow the design of components optimized for the exchange of heat and electricity. In these types of applications, pure copper is the reference material due to its high electrical and thermal conductivities. Although the SLM technology could strongly improve the efficiency in thermal and electrical transfer of pure Cu components, the processability of this material has not been widely investigated at the actual state of the art and results more difficult in comparison to other metallic powders. Pure copper is characterised by a high reflectivity to laser emission typically employed for SLM systems (i.e. 1 µm), which combined to its high thermal conductivity, hinders the local concentration of energy required to obtain a proper densification of the powder bed, thus causing process instability. The present thesis work explores the processability of 99.9% pure Cu powder by means of SLM using a 1 kW single mode fiber laser. The power level of the employed laser is higher than the common SLM systems (approximately 500 W) and the laser source provides the capability to monitor the laser back-reflection during the process. In literature there is evidence that the substrate upon which the deposition of the initial layers occurs plays a crucial role on the process stability of pure Cu. Employing an analytical model, the thermal field propagation inside substrate was simulated comparing the effect of a substrate made of copper, AISI 316L and a 1 mm thick copper mask on top of the stainless-steel substrate. Experimental analysis on these three alternatives supported the theoretical predictions regarding the influence of the substrate material and geometry on the densification of pure Cu. Further investigations regarding the effect of multi-scan strategies have been performed on the stainless-steel substrate and copper mask solutions. The on-line acquisition of back-reflected laser emission during the process allowed further insight on the effect of powder absorptivity variations in between two successive scans. The results of this work lead to conclude that selective laser melting is capable of processing pure Cu, depositing material with a relative density higher than 99% on a stainless-steel substrate through the use of a multi-scan strategy of the laser beam (with a 50%+50% delivery of the optimal process energy density). The technological requirements are a high power single mode fiber laser capable of withstanding back-reflections and an AISI 316L substrate which allows stable deposition since the first layers.

Recentemente il Selective laser melting (SLM) si è dimostrato un processo chiave per settori industriali come l’elettronica, l’automotive e l’aerospace nei quali, la sua capacità di creare forme complesse, può garantire la possibilità di progettare componenti appositamente ottimizzati per lo scambio di calore e di corrente elettrica. In questo tipo di applicazioni, il rame puro è il materiale di riferimento grazie alla sua elevata conducibilità sia termica che elettrica. Benché la tecnologia SLM potrebbe migliorare fortemente l’efficienza nello scambio termico ed elettrico per componenti in Cu puro, la lavorabilità di questo materiale non è stata ampiamente studiata nell’ambito dell’attuale stato dell’arte e risulta più complessa rispetto ad altre polveri metalliche. Il rame puro è caratterizzato da un’elevata riflettività per emissioni laser tipicamente impiegate nei sistemi SLM (1 µm circa), la quale combinata con l’elevata conducibilità termica di questo metallo, ostacola la concentrazione locale di energia necessaria ad ottenere una corretta densificazione del letto di polvere, causando, quindi, instabilità nel processo. Il presente lavoro di tesi esplora la lavorabilità di polvere di Cu pura al 99.9% in un processo SLM utilizzando un laser in fibra singolo modo da 1kW. Il livello di potenza del laser impiegato è superiore rispetto a comuni sistemi SLM (approssimativamente 500 W), inoltre questa sorgente laser garantisce la possibilità di monitorare l’emissione laser riflessa durante il processo. Dalla letteratura emerge che il substrato sul quale avviene la deposizione dei primi layers gioca un ruolo fondamentale nella stabilità del processo nel caso di rame puro. Attraverso un modello analitico è stata simulata la propagazione del campo termico all’interno del substrato confrontando gli effetti di un substrato in rame, uno in AISI316L e di una maschera di rame da 1 mm sovrapposta ad un substrato di acciaio inossidabile. L’analisi sperimentale condotta su queste tre alternative conferma le previsioni teoriche in merito all’influenza del materiale di cui è composto il substrato e la sua geometria sulla densificazione della polvere di Cu puro. Ulteriori studi sull’effetto di strategie di scansione multi-passata sono stati condotti sul substrato di acciaio inossidabile e sulla maschera di rame. L’acquisizione on-line dell’emissione laser riflessa durante il processo ha garantito un’osservazione degli effetti dovuti alla variazione di assorbimento ottico nella polvere tre due scansioni consecutive. Dal presente lavoro emerge che il rame puro può essere lavorato attraverso Selective Laser Melting, in particolare è possibile raggiungere densità relative superiori al 99% su un substrato di acciaio inossidabile attraverso l’impiego di strategie multi-passata del fascio laser (con una ripartizione 50%+50% della densità ottimale di energia per il processo). Da un punto di vista tecnologico il processo necessita di un laser fibra ad alta potenza in grado di resistere alla riflessione e di un substrato in AISI316L che permetta una deposizione stabile sin dai primi layers.