Fusione a Letto di Polvere di Rame e Lega CuCrZr per Soluzioni di Esaurimento di Energia

The main objective of this project is to characterize copper and copper alloys for the LPBF process. The thermal properties of Cu make it ideal for heat exchange applications, and the design freedom provided by AM technologies could improve the performance by the increment of volume ratio. However, pure copper's high thermal conductivity (401 W/m*K at 27 °C) is also one of the reasons why (coupled with its high reflectivity) it is not easy to process via LPBF. In particular, copper is one of the materials with the highest reflectivity toward near-infrared radiation, which corresponds to the emitted wavelength region of commonly adopted lasers in LPBF systems (continuous wave fibre lasers). In addition, the high conductivity leads to a higher tendency of melt pool instability during LPBF due to the rapid dissipation of the deposited heat input. Both these defects reduce the amount of energy available for melting, leading to high porosity and low mechanical and electrical properties. Two leading solutions can be found in the literature to overcome the low energy issue: increasing the laser power up to 1 kW or utilising a green laser source. However, these approaches for printing pure copper are not suitable for commercially available LPBF machines, which have a low laser power (400W Max) and laser wavelength of around 1080 nm. The characterization procedure of copper was carried out using the EOSINT M280, which possesses the laser characteristics mentioned above. As a result, two alternative options have been investigated: using powder with a different particle size distribution and oxidizing the powder to increase its absorptivity. Finally, the precipitation hardened copper alloy CuCrZr was studied. The CuCrZr alloy's key feature is its high mechanical properties while maintaining high conductivity. For this reason, the CuCrZr alloy represents a viable pure copper substitute in high thermal conductivity applications. In this research, the main application of the LPBF of copper and copper alloy is the manufacturing of accelerating electrostatic grids, a component of the negative ion beam source of the Neutral Beam Injector (NBI) system. The grids are subjected to highly focused power densities and hence require continuous active cooling to guarantee proper heat removal and temperature control. The accelerator grids represent a critical component as they have a rather complex design, with tiny cooling channels, apertures for the negative ions and grooves for the embedded magnets. The grids’ geometry could be optimized through additive manufacturing, realising complex internal cooling channels for higher heat transfer efficiency. This research activity has designed a feasible alternative AM shape of the cooling channels. Prototypes of AM single channels have been manufactured using the tuned process parameters, and the pressure drop was experimentally measured using different water flow rates. Finally, the characterization of pure copper parts using high-power infrared and green lasers was performed. The high quality of the parts enabled the production of the first accelerator grids prototypes with an additive manufacturing approach.

L'obiettivo principale di questo progetto è caratterizzare rame e leghe di rame per il processo LPBF. Le proprietà termiche del rame lo rendono ideale per applicazioni di scambio termico e la libertà di progettazione fornita dalle tecnologie AM potrebbe migliorare le prestazioni mediante l’incremento del rapporto volumetrico. Tuttavia, l'elevata conducibilità termica del rame puro (401 W/m*K a 27 °C) è anche uno dei motivi per cui (insieme alla sua elevata riflettività) è difficile da elaborare attraverso LPBF. In particolare, il rame è uno dei materiali con la più alta riflettività nei confronti della radiazione del vicino infrarosso, che corrisponde alla regione di lunghezza d'onda emessa dai laser comunemente adottati nei sistemi LPBF (laser in fibra ad onda continua). In aggiunta, l'elevata conduttività porta a una maggiore tendenza all'instabilità della pozza di fusione a causa della rapida dissipazione dell'apporto di calore depositato. Entrambi questi difetti riducono la quantità di energia disponibile per la fusione, portando a un'elevata porosità e basse proprietà meccaniche ed elettriche. In letteratura si possono trovare due soluzioni all'avanguardia per superare il problema della bassa energia: aumentare la potenza del laser fino a 1 kW o utilizzare una sorgente laser verde. Tuttavia, questi approcci per la stampa di rame puro non sono adatti per le macchine LPBF disponibili in commercio, che hanno una bassa potenza laser (400 W max) e una lunghezza d'onda del laser di circa 1080 nm. La procedura di caratterizzazione del rame è stata eseguita utilizzando la stampante EOSINT M280, che possiede le caratteristiche laser sopra menzionate. Di conseguenza, sono state studiate due opzioni alternative: utilizzare polvere con una distribuzione granulometrica diversa e ossidare la polvere per aumentarne l'assorbimento. Infine, è stata studiata la lega di rame CuCrZr che indurisce per precipitazione. La caratteristica chiave della lega CuCrZr sono le sue elevate proprietà meccaniche pur mantenendo un'elevata conduttività. Per questo motivo, la lega CuCrZr rappresenta un valido sostituto del rame puro nelle applicazioni ad alta conducibilità termica. In questa ricerca, l'applicazione principale della stampa additiva di rame e lega di rame tramite LPBF è la produzione di griglie elettrostatiche acceleranti, un componente della sorgente di fasci di ioni negativi del sistema Neutral Beam Injector (NBI). Le griglie sono sottoposte ad un'elevata densità di potenza altamente focalizzata e quindi richiedono un raffreddamento attivo continuo per garantire una corretta rimozione del calore e il controllo della temperatura. Le griglie dell'acceleratore rappresentano un componente critico in quanto hanno un design piuttosto complesso, con minuscoli canali di raffreddamento, aperture per gli ioni negativi e scanalature per i magneti incorporati. La geometria delle griglie potrebbe essere ottimizzata attraverso la produzione additiva, realizzando complessi canali di raffreddamento interni per una maggiore efficienza di trasferimento del calore. Questo studio ha progettato e simulato una possibile forma AM alternativa dei canali di raffreddamento. Questa attività di ricerca ha progettato una possibile forma alternativa dei canali di raffreddamento. Sono stati realizzati prototipi di singoli canali AM utilizzando i parametri di processo ottimizzati e la perdita di pressione è stata misurata sperimentalmente utilizzando diverse portate d'acqua. Infine, è stata eseguita la caratterizzazione di parti in rame puro prodotto utilizzando laser infrarosso e verde ad alta potenza. L'elevata qualità delle parti ha consentito la produzione dei primi prototipi di griglie di accelerazione con un approccio di produzione additiva.