绿激光与电子束对比：铜金属3D打印技术优势与市场前景

在金属 3D 打印领域，绿激光粉末床熔融（LPBF）技术正崭露头角，南极熊将带您深入了解这一技术，并与传统电子束点打印技术进行全面对比，涵盖能量密度、打印效率、工艺稳定性及成本控制等关键维度。

希禾增材（ADDIREEN）作为专注绿激光金属增材制造的企业，基于自主研发的高功率单模光纤绿光激光器，率先推出绿激光粉床熔融（GL-PBF）设备。

1. 绿激光3D打印技术
希禾增材依托自主研发的绿光激光器推出GL-PBF设备，有效解决了纯铜及铜合金等高反金属在打印过程中常见的致密度不足、飞溅严重、效率低下以及精度不佳等问题，展现出较传统红外激光的独特优势。与现有的电子束点打印技术相比，绿激光在同等条件下不仅实现了更高的能量密度、打印效率和稳定性，同时具备出色的精细结构打印能力，加上设备成本更具竞争力，使其在高精度及大件金属打印领域表现出明显优势。

1.1 材料吸收特性
如图所示，铜材料对绿激光的吸收率远高于红外激光，这一优势使得纯铜、铜合金、黄金、铂金等高反金属、难熔金属材料在绿激光熔融过程中更为高效，从而确保了金属打印的质量与效率。

（图源：www.addireen.com）

1.2 激光器与打印质量
希禾增材的高功率单模光纤绿光激光器具有波长短、光束质量高和聚焦光斑细小等优点。基于这一绿光激光器的LPBF设备，在金属增材制造过程中，不仅成型效率更高，细节呈现更精细，还具备更大的工艺窗口，是加工高反金属和难熔金属的理想选择。同时，设备也为常规金属材料提供了更高效、更精细的打印可能性。

1.3 设备与应用实践
目前，希禾增材推出的绿激光金属3D打印设备（XH-M100G、M160G、M350G、M660G）已能实现纯铜零件的高质量打印，打印件致密度高达到99.8%~99.9%，热导率可达390 W/m·K。此外，使用绿激光设备打印的散热及换热部件，在0.5 mm壁厚下可承受超过8 MPa的水压，TPMS散热结构的最薄壁厚更低至0.08 mm。这些优异的技术指标已在航空航天、新能源汽车、半导体散热器件、感应加热线圈和高速通讯器件等多个领域得到成功验证。

2. 绿激光与电子束点打印技术对比

2.1 能量密度
能量密度高，有助于实现充分稳定的熔融过程，从而避免因能量不足导致的细节缺失或打印失败，保障复杂结构和高精度零件的顺利成型。

以希禾增材XH-M160G绿激光设备为例，其最小光斑直径为0.02 mm，配备500W激光器时，计算得到能量密度约为1.6×10⁸J/cm2。相比之下，电子束技术束斑直径通常在0.2 mm左右，如使用3kW电子枪，计算得到能量密度约为1×10⁷J/cm2。

其中，E为能量密度,P为激光功率,A为光斑面积。

由此可见，在仅用1/6功率的条件下，绿激光技术的能量密度便达到了电子束技术的16倍，高出一个数量级。

2.2 氧化控制
希禾增材绿激光金属3D打印设备，均在惰性气体（氩气）的保护环境下进行打印，设备可将工作仓内氧含量控制至50ppm以下，有效隔绝氧气，降低氧化风险。同时，搭配使用纯度高达99.95%、含氧量低于20ppm的高性能纯铜粉末材料，从源头上进一步避免氧化。

在此条件下，即使是对氧化极为敏感的材料，也能在打印过程中保持稳定的成型质量，避免零件表面发黑、性能下降等问题。因此，氧化影响几乎可以忽略。

2.3 纯铜打印致密度
在纯铜打印领域，希禾增材已实现99.8%~99.9%的高致密度稳定批量生产，性能表现显著优于部分传统打印工艺。2024年10月，上海交通大学研究团队依托希禾增材绿激光打印设备XH-M160G，成功制备出高质量纯铜部件，其相对密度超过99.9%，IACS电导率达到98%以上。

（图源：https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2024.118615）

2.4 基板预热及成型稳定性
希禾增材绿激光设备均配备基板预热功能，支持0-200℃的温度调节，能够有效减少熔池与基板之间的温差，从而降低热应力的积累，避免纯铜、铜合金等高导热材料在打印中出现开裂的情况。

此外，公司还在研发支持更高温度的预热技术，以进一步优化特殊材料的打印工艺。目前，希禾增材绿激光粉末床熔融设备所有机型，采用合适的工艺参数进行打印，铜基材料打印件均不会出现零件开裂问题，充分验证了绿激光打印设备的稳定性和工艺可靠性。

2.5 打印工艺
希禾增材绿激光打印设备已成功开发多种铜含量超过95%的铜合金打印工艺。目前，设备能够实现40-60μm层厚的稳定打印，确保打印过程中的高生产效率和优异打印质量。同时，部分铜合金材料支持高达80μm层厚的打印，这不仅进一步提升了打印速度，还为不同工业应用提供了更加灵活的工艺选择，满足各种复杂零件的制造需求。

2.6 表面粗糙度与细节精度
受束斑尺寸和粉末粒径等因素影响，电子束技术常规打印精度在0.2-0.3 mm左右，零件表面粗糙度（Ra）相对较高，与铺粉工艺在零件细节上的表现差异已成为行业共识。

铺粉式LPBF技术通常能实现0.1 mm左右的打印精度。希禾增材绿激光设备在纯铜及铜合金打印中，精度可以控制在0.1 mm及以下，部分可达0.05 mm。此外，公司还实现了纯铜最小壁厚0.08 mm及最小孔径0.2 mm的极限工艺，表面粗糙度（Ra）低至2-6μm。由此可见，绿激光技术具备实现精细加工和优良表面质量的能力，为精密零件的制造提供可靠保障。

3. 综合分析与市场选择
3.1 设备与粉末成本
目前市场上，同等尺寸的电子束设备价格普遍高于绿激光设备。然而，设备成本受成本管控、市场定位等多种因素影响，因此二者在设备价格方面难以一概而论。

关于粉末成本，纯铜及铜合金粉末的价格主要取决于产能、原材料成本、制粉工艺以及粉末粒径等因素。希禾增材绿激光设备常用粉末粒径规格包括5-25μm、15-38μm和15-53μm等多种类型。相比之下，电子束技术适配较粗的粉末粒径，因此粉末成本相对略低。但总体来看，不同技术路线对粉末性能和粒径要求各异，粉末成本还需结合具体工艺需求综合评估。

3.2 未来展望
总体而言，金属3D打印技术路线多样，各工艺在打印精度、材料适配性、生产效率和成本等方面各具特点，最终的选择取决于用户需求和市场反馈。铺粉式LPBF技术凭借精细的打印精度、较强的材料适应能力和广泛的应用场景，在金属增材制造领域，尤其在航空航天、工业制造等市场占据主导地位。

未来，随着技术不断进步和市场需求日益多元，不同打印工艺将持续优化升级，满足更复杂的制造需求。希禾增材将不断发展绿激光金属3D打印技术，通过设备性能的提升与工艺积累，不断拓展更多材料的应用边界，为金属增材制造提供更高效、更可靠的解决方案。