استكشاف تطبيق ليزر الألياف في الطباعة ثلاثية الأبعاد للمعادن

ال مصنع الإضافاتتُعدّ عملية تصنيع المواد المعدنية (الطباعة ثلاثية الأبعاد) مطلوبة بشدة في مجالات الطيران والفضاء والملاحة والمركبات وصناعة القوالب والمعدات الطبية وغيرها. تشمل مصادر الحرارة المستخدمة حاليًا في عملية التصنيع الإضافي للمعادن ثلاثة أنواع من الحزم عالية الطاقة، وهي: شعاع الليزر، وشعاع الإلكترون، وبلازما الحزمة الدقيقة، بالإضافة إلى مدخلات حرارة التلبيد. يُعدّ شعاع الليزر أكثر مصادر الحرارة عالية الطاقة استخدامًا في مجال التصنيع الإضافي للمعادن. بالمقارنة مع شعاع الإلكترون وبلازما الحزمة الدقيقة، يتميز شعاع الليزر بدقة تركيزه، وانخفاض تكلفته، وإمكانية توجيهه إلى موضع المادة المحدد. كما يُمكنه تحقيق انصهار فوري للمواد المعدنية، وتلبية متطلبات تداخل قنوات الانصهار وتشكيل الأجزاء.

المبادئ الأساسية للطباعة ثلاثية الأبعاد بالليزر

تشمل أنواع الليزر المستخدمة في الطباعة ثلاثية الأبعاد بالليزر ليزر الألياف، وليزر أشباه الموصلات، وليزر Nd:YAG، وليزر ثاني أكسيد الكربون. تمتص المواد المختلفة أشعة الليزر ذات الأطوال الموجية المختلفة بشكل متفاوت. عادةً ما يُستخدم ليزر ثاني أكسيد الكربون لطباعة البوليمرات، بينما يُستخدم ليزر الألياف لطباعة مساحيق المعادن.

وفقًا لطرق المعالجة المختلفة، يمكن تقسيم التصنيع الإضافي بالليزر إلى التلبيد الانتقائي بالليزر، والصهر الانتقائي بالليزر، والتلبيد المباشر للمعادن بالليزر، وترسيب مسحوق الليزر، وترسيب المعادن المباشر، وما إلى ذلك. ومن بينها، يعد الصهر الانتقائي بالليزر (SLM) أحد أكثر تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد بالليزر للمعادن استخدامًا.

يوضح الشكل البنية الأساسية لجهاز الطباعة بتقنية الصهر الانتقائي بالليزر (SLM). قبل الطباعة، يجب تقسيم النموذج ثلاثي الأبعاد إلى طبقات، ثم تحديد مسار المسح. تتمثل الخطوة الأولى في كشط سطح العمل بشكل متساوٍ باستخدام مكشطة، ثم نشر طبقة من المسحوق عليها. أما الخطوة الثانية، فتتمثل في مسح هذه الطبقة من المسحوق بالليزر وفق مسار محدد لصهرها وطباعة طبقة. وتتمثل الخطوة الثالثة في تحريك سطح العمل لأسفل طبقة واحدة، ثم تكرار العملية السابقة لتكديس طبقات الطباعة من الأسفل إلى الأعلى، وبالتالي تشكيل الجزء ثلاثي الأبعاد المراد طباعته. ولمنع الأكسدة، يجب تفريغ حجرة العمل وملؤها بغاز خامل طوال العملية.

الطلب على الليزر في الطباعة ثلاثية الأبعاد بالليزر
ينعكس الطلب على الليزر في الطباعة ثلاثية الأبعاد بالليزر بشكل أساسي في جانبين: من ناحية، الطاقة واستقرار الطاقة، ومن ناحية أخرى، جودة الشعاع وحجم البقعة.

01 الطاقة واستقرار الطاقة

تعتمد عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد بشكل أساسي على التأثير الحراري لليزر. يجب أن تتجاوز شدة الليزر عتبة طاقة معينة لصهر المادة. لذلك، يُولى اهتمام أكبر لمتوسط ​​قدرة خرج الليزر، ولا تتأثر العملية بنمط نبضات الليزر. ولهذا السبب، تُستخدم عادةً ليزرات الألياف المستمرة، وتتراوح قدرتها تقريبًا بين 100 و1000 واط.
كلما كبر حجم النموذج وزادت طبقاته، زاد وقت الطباعة، والذي يتراوح عادةً بين بضع ساعات وعشرات الساعات. لذا، تُفرض متطلبات عالية على التشغيل المستقر لليزر على المدى الطويل. فإذا كانت درجة الحرارة مرتفعة جدًا، قد يحترق مسحوق المعدن بشكل مفرط، بل وقد يتسبب ذلك في إعادة انصهار الأجزاء المُشكّلة الأخرى؛ أما إذا كانت درجة الحرارة منخفضة جدًا، فلن ينصهر مسحوق المعدن تمامًا، وستكون قوة الترابط غير كافية، وقد لا يُحافظ على شكل المكون المُشكّل. لذلك، يُعد استقرار طاقة الليزر أمرًا بالغ الأهمية لجودة الطباعة.

02 جودة الشعاع وحجم البقعة

تُعدّ جودة شعاع الليزر وحجم البقعة من أهمّ المعايير التي تُحدّد دقة الطباعة. تتمّ الطباعة ثلاثية الأبعاد عن طريق مسح شعاع الليزر. كلّما صغر حجم بقعة الليزر، زادت دقة المسح، وارتفعت دقة النموذج المطبوع، وأصبح سطح الجزء المطبوع أكثر دقةً ونعومةً.
تُقاس جودة الشعاع عادةً بمعامل BPP أو M2. كلما اقتربت قيمة M2 من 1، كانت جودة الشعاع أفضل، وزاد تركيز طاقة الليزر، وقلّ تأثير الحرارة على المنطقة المحيطة؛ وفي الوقت نفسه، كلما كانت جودة الشعاع أفضل، قلت زاوية التباعد المقابلة، وصغرت البقعة المركزة.

استكشاف شركة 03 GW Laser Tech وشركة FASTFORM في مجال الطباعة ثلاثية الأبعاد
قامت شركة GW Laser Tech، بصفتها الشركة الرائدة عالميًا في مجال ليزرات الألياف عالية السطوع، باستكشاف هذا المجال التطبيقي بنشاط مع صعود تقنية الطباعة ثلاثية الأبعادوأطلقت ليزر ألياف مستمر أحادي الوضع بقوة 500 واط بتردد 10 ميكرومتر/14 ميكرومتر لتطبيقات الطباعة ثلاثية الأبعاد، مستهدفة الأجهزة الطبية وقطع غيار السيارات والفضاء وغيرها من المجالات.

من بينها، يحدد قطرا النواة المختلفان، 10 ميكرومتر و14 ميكرومتر، حجم البقعة، الذي يؤثر بشكل رئيسي على كثافة طاقة الليزر، أي كمية طاقة الضوء لكل وحدة مساحة. في ظل ظروف الطاقة نفسها، كلما صغر حجم البقعة، زادت كثافة طاقة الليزر. وتُعد البقع ذات كثافة الطاقة العالية مناسبة لطباعة مساحيق المعادن ذات نقاط الانصهار العالية أو الانعكاسات العالية.

مزايا المنتج:

➢ تصميم فائق النحافة وخفيف الوزن، تصميم بارتفاع 19 بوصة و1.5U، وزن أقل من 20 كجم، هيكل مدمج، حجم صغير، وزن خفيف، مما يوفر سهولة تكامل لا مثيل لها وتعدد استخدامات مرن.

➢ يعتمد هيكل المنتج على تصميم مغلق، موجه لبيئة الطباعة ثلاثية الأبعاد، مما يحسن بشكل كبير الموثوقية العامة لليزر، ومستوى الحماية IP65، ويمكنه العمل بشكل مستمر في البيئات القاسية مثل درجات الحرارة العالية والرطوبة العالية والغبار الكثيف.

➢ تبلغ الطاقة القصوى 500 واط، وهو ما يكفي لتشكيل المواد المعدنية الشائعة مثل الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي، والفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي، وسبائك التيتانيوم، وسبائك النيكل عالية الحرارة، وسبائك الألومنيوم، وسبائك المغنيسيوم، وما إلى ذلك.

➢ استقرار جيد للطاقة، تقلبات في الساعة

➢ جودة شعاع جيدة، M2

شركة فاست فورم (FastForm) متخصصة في البحث والتطوير لتقنيات ومعدات الطباعة ثلاثية الأبعاد، وتُقدم خدمات النماذج الأولية السريعة وحلولاً متكاملة. وقد أقمنا شراكة وثيقة مع شركة غوانغ هوي ليزر، ونعتزم إجراء تجارب وأبحاث في مجال الطباعة ثلاثية الأبعاد على أجزاء رئيسية في قطاعات الطيران والفضاء، ونماذج السيارات، والطب الحيوي، وغيرها. وقد أطلقنا منتجات الليزر الأحادي FF-M140، ونماذج FF-M150 التعليمية، ونماذج FF-M180D ثنائية الليزر الخاصة بطب الأسنان، ونماذج FF-M300H الصناعية عالية الطاقة بقدرة 1000 واط، ونماذج FF-M500 ثنائية الليزر، ومنتجات FF-M800 رباعية الليزر، وجميعها قيد الإنتاج بكميات كبيرة وتدعم حلولاً مخصصة للمواقع. وقد طورنا بشكل مستقل برنامج FastLayer، وهو برنامج لتقطيع الليزر المتعدد وإنشاء المسارات. ويعمل الجهاز بشكل آلي بالكامل دون الحاجة إلى تدخل بشري.

يتميز هذا المنتج بالمزايا الهامة التالية:

➢ تقنية نشر المسحوق ثنائية الاتجاه وذات سرعة متغيرة، ومعدل استخدام عالٍ للمسحوق.

➢ برنامج تم تطويره بشكل مستقل لإكمال عملية التقطيع التلقائي وتخطيط المسار بنقرة واحدة.

➢ يأتي مزودًا بكاميرا خاصة به، والتي يمكنها تحقيق التحكم التلقائي الكامل والتشغيل عن بعد دون الحاجة إلى تدخل بشري.

➢ يعتمد الجهاز على هيكل لحام متكامل، وهو مستقر للغاية وسهل التركيب.

الوضع الحالي وآفاق تطوير صناعة الطباعة ثلاثية الأبعاد
دخلت الطباعة ثلاثية الأبعاد حاليًا عصر النماذج الأولية السريعة. ووفقًا لإحصاءات معهد أبحاث الصناعة التجارية الصيني، استحوذت صناعة الآلات على النسبة الأكبر من مجالات التطبيق النهائية في عام 2021، بنسبة 17.5%، تليها الإلكترونيات الاستهلاكية (16.6%) والسيارات (16.1%). ومع التطور السريع للإلكترونيات الاستهلاكية وصناعة السيارات، من المتوقع أن تتوسع مجالات تطبيق الطباعة ثلاثية الأبعاد في هذين القطاعين مستقبلًا.

من حيث حجم الصناعة، وفقًا لتوقعات شبكة الاستثمار الصينية: سيبلغ متوسط ​​معدل النمو السنوي المركب للطباعة ثلاثية الأبعاد من عام 2021 إلى عام 2025 حوالي 26.59٪، وسيصل إلى 70.1 مليار يوان في عام 2025.

يشمل الطباعة ثلاثية الأبعاد ثلاثة جوانب: المعدات، والمواد، والخدمات، حيث تستحوذ معدات الطباعة على الحصة الأكبر. ووفقًا لبيانات صادرة عن مركز الصين للتصميم والتصنيع الرقمي (CCID)، بلغ حجم صناعة معدات الطباعة ثلاثية الأبعاد في الصين عام 2020 نحو 9.254 مليار يوان، وهو ما يمثل النسبة الأكبر.

لا تزال أسعار معدات الطباعة ثلاثية الأبعاد مرتفعة نسبيًا في الوقت الراهن. ويعود ذلك، من جهة، إلى براءات الاختراع الأجنبية والاحتكارات، ومن جهة أخرى، إلى تأخر انطلاق صناعة الطباعة ثلاثية الأبعاد في بلادنا، وانخفاض الطلب عليها، وقلة استقلاليتها. ومع تطور صناعة التصنيع المتقدمة في بلادنا، وتطور التكنولوجيا، وانخفاض التكاليف، ستشهد صناعة الطباعة ثلاثية الأبعاد في بلادنا اتجاهًا نحو زيادة التوطين في المستقبل. ويُعد التعاون الوثيق بين مصنعي المعدات أمرًا بالغ الأهمية لتعزيز التوسع الكبير في تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد.

لا تقتصر جهود شركة غوانغهوي ليزر على البحث والابتكار في تكنولوجيا منتجات الليزر فحسب، بل تواصل أيضًا استكشاف مجال تكنولوجيا معالجة الليزر، وتلتزم بمساعدة عملائها على حل مشكلات التطبيقات. وبصفتها شركة رائدة في تصنيع معدات الطباعة ثلاثية الأبعاد محليًا، تتمتع شركة فاستفورم بخبرة واسعة في جميع جوانب الطباعة ثلاثية الأبعاد، ولديها فريق استشاري ذو خبرة عالية لتزويد العملاء بمنتجات احترافية متطورة في هذا المجال. وفي المستقبل، ستتعاون غوانغهوي ليزر مع فاستفورم لتعزيز تطبيق وتطوير تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد بالليزر في الصين، والمساهمة في تطوير هذا القطاع. المصدر: غوانغهوي ليزر، بقلم: مهندس التطبيقات غو جياشينغ