深度 | 金屬3D打印的紅光與綠光之爭

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把一束近紅外激光垂直打在一塊拋光純銅上，會發生特別的現象。

超過九成的能量被原樣彈回，沿著入射的光路沖回激光器，足以在鏡片上燒出缺陷。

這塊在電力與熱力世界里最受寵的金屬，恰恰是金屬增材制造里難馴服的對象。

它是導電與導熱的雙料王者，是電動化以及AI化浪潮里需求被反復推高的主角，卻幾乎把所有想熔化它的紅外光都拒之門外。

這場困局的破解，激光金屬3D打印分裂成了兩條路線：

一條仍然沿用經典的近紅外激光，業內俗稱紅光，它成熟、經濟、功率幾乎沒有上限，思路是用更高的功率、光束整形與工藝技巧，把銅這塊硬骨頭硬啃下來。

另一條改用波長更短的可見綠光，它在底層物理上對銅更友好，工藝更從容，卻要為此付出更高的器件成本。

兩條路線之爭，表面上是設備參數表上的一行數字，實質可能是一道工程權衡題。

本文想做的，是把雙方的物理、數據與代價都擺到臺面上。

一束打不進去的光

要理解這場爭論，必須從最底層的一條曲線說起：

金屬對激光的吸收率，是波長的強函數。

銅、銀、金、鋁這一類材料，在近紅外波段是出了名的高反射體。

工業光纖激光和碟激光最常見的發射波長落在1微米附近（即1064至1080納米，業內俗稱紅光），而純銅在室溫下對這一波段的吸收率很低。

光滑拋光表面的吸收率只有約2%，這一數值在多篇文獻中被反復引用。

MDPI《Materials》2023年第16卷一篇關于石墨涂層提升銅熔合效率的研究即直接寫明銅固態吸收率約為2%。

考慮到粉末床表面的多次散射與氧化，工程實際中的有效吸收率通常落在5%到20%之間。

AIP《Journal of Laser Applications》2024年第36卷一篇環形光斑論文明確給出近紅外下銅吸收率僅5%至20%。

換句話說，絕大部分激光能量被反射，加工效率極低，而被彈回的高能激光還會反過來損傷激光器與光學系統。

短波長改變了一切。

當波長縮短到515納米或532納米的綠光波段，純銅的吸收率躍升至約40%。

法國PIMM實驗室Nordet等人發表于《Optics and Laser Technology》（2022年，第147卷論文）的積分球實測研究指出，綠光波長下銅的固態吸收率介于約40%到60%之間。

若進一步縮短到450納米的藍光波段，吸收率可達約60%以上。

《Metals》（2024年第14卷）的綜述給出的數值是銅對綠光約54.5%、對藍光約65.2%。

這條吸收率隨波長縮短而在可見光藍綠端陡然抬升的曲線，是整個紅光與綠光之爭的物理地基。

值得提醒的是，這條優勢曲線對銅成立，對鋁卻幾乎不成立。

同一份綜述指出，鋁對綠光和藍光的吸收率都只有約13.5%，綠藍兩端幾乎沒有區別。

換光的紅利高度集中在銅、銀、金這類近紅外強反射的材料上，這一點決定了波長之爭的主戰場為何始終圍繞銅展開。

《Metals》綠藍激光綜述（金屬吸收系數對波長圖）

決定勝負的維度

如果故事到此為止，那不過是綠光吸收率更高、所以更好用而已。

真正讓這場爭論分出層次的，是一個更微妙也更具決定性的現象：

吸收率隨溫度（也就是隨固液相變）變化的方向，紅光與綠光恰好相反。

對綠光而言，銅從固態熔化為液態時，吸收率不升反降。

發表于《Materials Letters》（2020年，論文題為通過表面結構化提升銅激光可焊性）的研究給出了精確數值：

在515納米波長下，銅的吸收率從室溫的42%下降到熔點處的25%，并指出這源于帶間躍遷效應固有的負溫度系數。

前述PIMM實驗室的實測也印證了同樣的方向，綠光下銅液態吸收率約為25%到50%。

對紅光而言，方向正好掉轉。

銅一旦熔化，對1064納米的吸收率會突然抬升。

這一跳升幅度在不同文獻間存在分歧，理論計算值甚至更高；

而發表于《Journal of Materials Engineering and Performance》的積分球研究測得液態純銅在1064納米下仍反射約九成以上、對應吸收率僅約6%。

數值雖不統一，但定性結論一致。

紅光下銅的能量吸收在熔化瞬間是突然增強的。

研究在還點明了這一非對稱的根源（援引發表于《Metals》2022年第12卷的研究）：

銅對綠光與藍光的吸收率在熔化時下降，而對近紅外的吸收率在熔化時驟增。

這個方向上的差異，工程含義極其深遠。

紅光路線下，局部一旦熔化，吸收率驟升，吸收的能量隨之暴漲，熔深與熔池行為變得難以預測，極易在匙孔模式下卷入氣孔，工藝參數的可用窗口因此被壓得很窄。

綠光路線下，熔化后吸收率反而回落，等于給熔池裝了一個自穩定的負反饋，整個過程更接近鋼鐵等常規金屬，工藝窗口寬得多。

這正是綠光在純銅上工藝窗口更寬的原因，它的長處不在于能不能把銅打致密，而在于打的過程更穩、窗口更寬、更易重復。

不過這份工藝上的從容并非沒有代價，它要用遠高于紅光的器件成本來換，后文會展開；

其二，紅光面對先天的吸收率劣勢也并非束手無策，有一套辦法把這一課補回來。

綠光的登場

綠光銅加工的學術源頭，要追溯到德國的弗勞恩霍夫激光技術研究所。

這家研究所自上世紀九十年代中期起就是激光粉末床熔融技術的策源地之一。

2017年，他們在法蘭克福的formnext展會上公開了一個名為綠色選區激光熔化的項目，思路是用綠光替代紅外，以期獲得更均勻的熔池動力學、更高的致密度和更精細的分辨率；

由于當時市面上沒有滿足條件的綠光源，研究所決定自建光源。

而把綠光從實驗室推向工業產品的先鋒，是德國通快（TRUMPF）。

其核心器件是一臺名為TruDisk 1020的激光器，它基于摻鐿釔鋁石榴石薄盤平臺，采用腔內倍頻技術，發射515納米連續激光，最大輸出功率1千瓦。

通快在其技術白皮書中特別強調，碟片激光腔內倍頻之所以穩健，是因為它不需要像高功率光纖激光倍頻那樣額外的外部諧振增強腔，方案因此簡單可靠。

通快把這臺激光器集成進小幅面的TruPrint 1000打印機（成形缸為直徑100毫米乘高100毫米），替換掉標配的200瓦光纖激光，把光束聚焦成直徑200微米、能量呈平頂分布的光斑，由此形成了TruPrint 1000綠光版。

這臺機器在純銅上的數據，（雖然通快退出了增材業務）至今仍是綠光路線的標桿之一。

根據通快白皮書（作者Wagenblast、Myrell、Thielmann、Scherbaum與Coupek，2020年），純銅Cu-ETP（銅含量大于99.9%，氧含量小于0.04%）可做到致密度99.9%，電導率經渦流法測得101%IACS（對應約5.8乘10的7次方西門子每米）。

白皮書稱，據其所知在當時，如此高的致密度與電導率組合此前從未在粉末床熔融制造的銅件上被發表過。

力學性能方面，水平方向抗拉強度約235兆帕、屈服強度約138兆帕、斷后伸長率57%，與軟退火態銅相當。 成形速率上，追求100%IACS時為每小時8立方厘米，若接受95%IACS可提速到每小時16立方厘米。 換到銅合金CuCr1Zr，致密度同樣達99.9%，成形速率每小時17立方厘米，經沉淀硬化熱處理后抗拉強度可達470兆帕、屈服強度383兆帕、伸長率26%。

白皮書還給出了應用實證，一個叉形感應加熱器能承受10bar水壓，9小時10分鐘可打印3件；

一個用于大功率電子器件散熱的換熱器，壁厚低于1毫米，15小時打印5件。

需要說明的是，上述廠商數據多源自企業白皮書，未必經獨立第三方逐項復現；另外101%IACS略高于100%，并非測量出錯，而是現代高純銅本身優于1913年設定的國際退火銅標準基準所致。

除了已退出增材業務的通快之外，IPG、我國的公大、銳科、大族等激光企業據公開信息均有綠光方案。

同一個擂臺，一千瓦對一千瓦

很多時候公開信息的敘事（包括我們自己在內）容易讓人以為綠光已經取代紅光，但要把兩條路線放在公平的天平上，必須讓它們在相同功率下硬碰硬。

這件事，由法國Arts et Métiers的PIMM實驗室Nordet、Gorny、Coste、Lapouge、Effernelli、Blanchet與Peyre等人完成，成果發表于《Progress in Additive Manufacturing》。

這是學界首次用兩臺均為1千瓦的連續波激光，一臺綠光、一臺紅光，在同一實驗框架下對比打印純銅。

核心發現有三點。

其一，紅光高斯光束與綠光平頂光斑都能把致密度做到99.5%以上，這說明紅光在足夠高的功率下同樣能把銅打致密。

其二，但綠光的工藝參數窗口明顯更寬，生產率更高，這恰好印證了前一節那條自穩定負反饋的機理。

其三，制件呈柱狀晶、沿成形方向呈現小于110的織構，位錯密度約為每平方米10的15次方，電導率最高測得95%IACS。

這個結果之所以關鍵，在于它把爭論從能不能做，精準地校準到了穩不穩、快不快。

在足夠的功率下，紅光與綠光都夠得著純銅的性能上限，差別不在天花板，而在通往天花板的那條路，綠光的工藝窗口更寬、更容易重復，紅光則需要更精細的參數控制來穩住熔池，兩者各有側重。

紅光的三武器：高功率、匙孔與光束整形

綠光贏在工藝窗口的從容，紅光則贏在成熟度、功率上限與成本，并且有三件武器把先天的吸收率劣勢一一補回來：

高功率、匙孔多次反射，以及光束整形。

第一件武器是用匙孔的多次反射，把先天偏低的吸收率硬生生放大。

前述AIP《Journal of Laser Applications》（2024年，第36卷）的論文給出了清晰量化： 銅對近紅外吸收率本為5%到20%，但一旦用高斯光束建立起深穿透的匙孔，激光在孔壁間反復反射，有效吸收率最高可升至53%。

靠著這一機制，紅光也能做出致密度高、電導率高的銅件。

更引人注目的是，該研究進一步用三種環形光斑、在最高1300瓦功率下打印純銅，做出了致密度高達99.77%、電導率高達101.62%IACS的樣件。

這組數字說明，紅光在純銅上同樣能逼近甚至觸及綠光的質量天花板。

第二件武器是光束整形。

把光束從高斯改成環形，能顯著穩住熔池、抑制飛濺。

代表性產品是nLIGHT的可編程光纖激光器，它能在毫秒級內把光斑從高斯切換到環形，光斑直徑在85到210微米間可調，最高功率達1.2千瓦。

AMCM的M 290 FLX便搭載了兩臺這樣的1.2千瓦激光；

據Sintavia于2025年2月發布的信息，這套雙激光系統能在不損失功率與材料密度的前提下，把熔化直徑放大到三倍以上，并能把最棘手的金屬蒸氣副產物顯著削減。

第三件武器是材料側與預熱側的工夫。

對銅粉做表面改性（例如形成一層金屬鉻或氮化鉻）可提升近紅外吸收率，相關思路已見于多項孔隙率研究；

高溫預熱則是紅光路線的常規手段，部分預熱系統可將基板加熱到上千攝氏度，以降低進入液相所需的能量門檻。

紅光陣營在2025年仍有高水平成果。

發表于《Scientific Reports》的一項研究采用1千瓦級紅外系統打印純銅，在優化條件下同時做到了高致密度與約100%IACS的電導率，且全程無可觀測的光學元件退化或失穩。

研究還提煉出一條產業化可用的經驗準則：

把體能量密度控制在約228焦耳每立方毫米附近，并保持足夠的線能量密度，即可獲得穩定的致密化行為。

這有力地證明了紅光路線在純銅上同樣能逼近極限性能。

藍光：更高的吸收率，更遠的產業化

既然吸收率越高越好，那么吸收率約65%的450納米藍光，似乎理應是終極答案。

弗勞恩霍夫研究所與多家激光廠商都曾大力推進藍光銅加工，日本學者也發表了多篇藍光打印純銅的論文。

最新的《International Journal of Advanced Manufacturing Technology》研究用440納米藍光、配合波長光束合成的直接二極管激光,在無需預熱的情況下打印純銅,于約270焦耳每立方毫米下做到了99.75%致密度。

但藍光的產業化現實要骨感得多，瓶頸主要在光束質量。

藍光二極管激光的亮度目前仍遜于綠光盤片激光與紅外光纖激光，通快白皮書提到藍光二極管的亮度尚不足以驅動振鏡掃描，盡管這一指標隨研發在持續改善。

光束質量上不去，就難以聚成細小光斑、難以高速振鏡掃描，也就難以滿足粉末床熔融對分辨率與效率的要求。

疊加藍光在金屬增材領域的商業化推進相對有限，藍光至今未能形成紅光綠光那樣的規?；a品方案。

它在物理上吸收率最高，在工程上卻暫時落在后面。

為什么是銅？電機、散熱、火箭與射頻

這場波長之爭之所以牽動整個行業，是因為高純度、高電導率銅部件的需求正在多個賽道同時爆發。

一是電機繞組與感應線圈。

德國Additive Drives用選區激光熔化打印銅發卡與單體線圈，讓導體與槽形完美貼合，據報道，銅填充率可從傳統圓線的約45%提升到約65%，電機輸出功率最多提升45%；

感應加熱線圈也是綠光銅打印最早落地的方向之一。

二是散熱，眼下最洶涌的需求，我們也經常寫。

人工智能把單機柜功率推過100千瓦，風冷已難招架，散熱在數據中心的能耗占比常被指達到三到四成，成了算力擴張的真正瓶頸。

銅以頂級導熱成為直觸芯片液冷的首選材料，而只有增材制造才能做出傳統機加工無法實現的隨形微流道與拓撲優化翅片。

一例基于激光選區熔化的銅CPU散熱器顯示，相比傳統工藝的翅片散熱器，熱阻可降低約55%；一些高功率GPU的銅冷板也已進入實際部署。

需要如實說明的是，當前一些數據中心銅冷板采用了電化學增材等非激光路線，但它們指向的是同樣的對高性能銅散熱件的渴求。

三是火箭發動機燃燒室，銅增材最具標志性的舞臺。

原來我們分享過GRCop銅鉻鈮合金專為再生冷卻燃燒室設計，這類應用幾乎清一色走紅光，因為用的是銅合金而非純銅，吸收率本就更高，且更看重強度而非極致電導，紅光的成熟與性價比更占優；

四是通信射頻器件。

Johnson等人（《Progress in Additive Manufacturing》，2022年）用綠光選區熔化制造了工作于5吉赫的銅分形天線，印證了綠光打印復雜功能性射頻件的可行性。

成本、產能與產業現實

拋開實驗室里的性能比拼，產業化最終要回答三個樸素的問題：

成本、可靠性、產能。

而這三項，目前看，紅光占明顯的上風。

同等功率下，綠光激光器要遠貴于紅外光纖激光。

激光技術參考資料RP Photonics明確指出，相比近紅外激光，綠光的單瓦成本要實質性偏高，只是在銅、金等高反射材料上，溢價常常物有所值。

成本高主要在兩處。

其一是產生方式，綠光無法由激光二極管直接高效發出，必須先有一束1微米附近的基頻激光，再經非線性晶體倍頻轉換成515納米，這一步既要昂貴的非線性晶體，又對自由空間腔的對準精度提出苛刻要求，制造與維護都更復雜。

二是電光轉換效率，紅外光纖激光的整體效率通常在90%以上，而經倍頻的高功率綠光，整體電光效率往往只有約15%到30%，這一區間見于相關高功率綠光光纖激光的技術文獻。

這意味著輸出同樣的光功率要喂進更多電、配更大的冷卻系統，再疊加供應商少、缺乏規模效應，綠光器從購置到使用的總成本被進一步抬高。

相比之下，紅外光纖激光是工業環境里成熟且平價的激光工具，可長時間連續運行、維護少、壽命長，功率幾乎沒有上限。

對成本敏感、追求單位產能成本的量產場景而言，這份經濟性本身是一項硬優勢，也是紅光至今穩坐產業主力的關鍵原因之一。

在產能擴展上，量產的關鍵是多激光并行。

紅外激光能輕松實現四光、八光乃至更多束并行掃描，而綠光激光的多光束擴展案例較少，這使得大尺寸、大批量的場景幾乎仍是紅光的天下。

但國產陣營的路線選擇給出了一個有意思的注腳：

設備廠商出現兩頭押注的情形，一邊以紅光作為主力機型的基礎，一邊也推出綠光技術方案，用以解決傳統紅光設備的痛點；

與此同時，國產連續綠光激光器在近年實現突破，為綠光設備的國產化補上了關鍵的器件一環。

這種紅光打底、綠光補強的雙線策略，說明兩條路線在產業里是互補而非互斥的關系。

到底誰贏了？

把所有證據擺在一起，結論是清楚的。

顯然這不是一場你死我活的取代戰。

以AM易道視角，如果要的是純銅、極致電導率，綠光是當下最優解，工藝窗口寬、致密度與電導率標桿領先。

如果要的是銅合金、大尺寸、多激光量產與成本可控，紅光仍是基本盤，并正通過高功率、環光斑、粉末改性，步步為營。

而紅光的高反問題，這需要優秀的增材企業從設備端考量來解決。

至于藍光，它在物理上吸收率最高，最新研究已展示出較為優秀致密度，因光束質量這道坎，產業化暫時落在綠光身后。

說到底，目前來看，選波長就是在工藝窗口與器件成本之間做權衡，沒有放之四海皆準的標準答案。

這場紅光與綠光之爭，從流量優先的角度，我們當然愿意直接辯論哪種激光更強。

但我們實際看到的是同一道工程難題下兩種同樣成立的哲學。

在物理最優與工程可行之間、在性能與成本之間、在老問題與新解法之間，從來沒有免費的答案，只有最貼合當下需求的經典權衡。

聲明：本文并非嚴謹的產業研究報告或學術綜述。文中數據與論述多引自公開論文、廠商資料與公開報道，受限于資料的可得性與AM易道產業經驗，部分引用、數據或判斷難免存在疏漏，也可能與最新的產業情況不盡相符。若有錯漏或不同見解，誠摯歡迎讀者在評論區指正、補充，我們會及時核實與更正。