Powder bed based additive manufacturing of pure Cu with laser melting and binder jetting

Pure copper and copper alloys are steadily increasing their importance in electronics and in aerospace thanks to the demand for higher thermal properties coupled with the desire of miniaturization and the increase of geometry complexity. Conventional manufacturing can clash with these types of requests and additive manufacturing (AM) is now growing of importance mainly due to the lack of limits on design. It is fundamental that the AM part reaches a density that is close to a unitary value in order to avoid that the porosities in the material may decrease the mechanical, thermal and electrical properties of copper. Among all the AM processes, Laser Powder Bed Fusion (LPBF) and Binder Jetting (BJ) are two alternatives that are now being studied to reach these goals. The main drawbacks are the processability issues that might be encountered, since copper is highly reflective towards fiber laser wavelengths and moreover it is extremely conductive which might be a problem for heat transmission during LPBF printing and BJ sintering. Some of these challenges can be mitigated using Cu alloys, which can modify the microstructure and the properties although lowering the purity of the metal. This work has the purpose of investigating the feasibility of processing pure copper powder with LPBF and BJ, highlighting the advantages and the limitations. Mechanical and electrical properties were characterized, and the results are presented. Considering LPBF, to reach a valuable result it is necessary to keep the energy density (Ev) high to melt the material and impose the right heat flow for densification, and overcoming the keyhole limit of 106 W/cm2 is a recommended route. In this way, by tuning hatch distance (h) and scan speed (vs) values it was possible to reach a relative density (ρ) of 98% in this work. For BJ, instead, the sintering strategy strongly affect the properties of the part. From the results of this work, the relative density that was reached after the printing process seemed not to affect the final density, which was instead dependent on the sintering cycle that was applied. Some mechanical and electrical properties have been compared and the main results indicated that manufacturing of copper parts is feasible, with interesting characteristics that can be obtained. In the end of the work, a new manufacturing process of LPBF printing and successive sintering is briefly introduced, and some preliminary results of the relative density obtained are discussed.

Il rame puro e le leghe di rame stanno sempre più aumentando la loro importanza in campi come l’elettronica e il settore aerospaziale grazie alla richiesta di continue migliorie nelle proprietà termiche unita alla volontà di creare forme più complesse riducendone anche le dimensioni. I processi di fabbricazione convenzionali si scontrano con queste tipologie di richieste e la fabbricazione additiva (AM) sta crescendo sempre più di importanza, principalmente grazie alla mancanza di limitazioni riguardo al design che si può proporre. È fondamentale che la parte prodotta raggiunga una densità che sia prossima al valore unitario così da evitare che le porosità nel materiale influiscano negativamente sulle proprietà meccaniche, termiche ed elettriche. Nel panorama dei processi additivi, la fusione laser a letto di polvere (LPBF) e il binder jetting (BJ) sono due possibili strategie che recentemente sono studiate per raggiungere gli scopi appena menzionati. I problemi principali riguardano le difficoltà di processabilità che possono intercorrere, essendo il rame un materiale altamente riflettente rispetto la lunghezza d’onda propria dei laser in fibra. Inoltre, il rame è molto conduttivo, il che inevitabilmente è un problema per la trasmissione del calore durante la stampa tramite LPBF e durante la sinterizzazione BJ. Alcune di queste sfide possono essere mitigate tramite l’utilizzo di leghe di rame, che ne modificano la microstruttura e le proprietà diminuendo però la purezza del rame. In ogni caso, lo scopo di questo lavoro è quello di studiare la fattibilità di processo di rame puro tramite LPBF e BJ, evidenziandone vantaggi e criticità. Le proprietà meccaniche ed elettrice sono state caratterizzate, e i risultati sono in seguito riportati. Considerando LPBF, per raggiungere risultati soddisfacenti è necessario utilizzare un alto valore di densità volumetrica di energia (Ev) così da fondere il materiale e imporre il giusto scambio di calore che porta a raggiungere una densità relativa soddisfacente, oltrepassando la soglia dei 106 W/cm2 come da buona norma. In questo modo, variando i parametri di distanza di passata (h) e di velocità di scan (vs) è stato possibile raggiungere densità relative (ρ) di 98%. Per BJ, invece, la densità relativa che si raggiunge successivamente al processo di stampa non ha condizionato la densità relativa misurata dopo la sinterizzazione (ρs), che era invece dipendente solo dal ciclo di sinterizzazione applicato. Alcune tra le proprietà termiche e meccaniche delle parti prodotte con i due processi sono state confrontate, e i principali risultati indicano che il processo di produzione di rame puro è possibile, con interessanti caratteristiche che possono essere ottenute. Alla fine di questo lavoro, una breve introduzione su un nuovo processo produttivo comprendente la stampa di parti tramite LPBF e successiva sinterizzazione di esse tramite BJ è presentata, e i preliminari risultati di densità ottenuta sono discussi.