Проучване на приложението на фибърен лазер в 3D печатането на метали

The Добавка ManuПроцесът на 3D печат на метални материали е с голямо търсене в областта на авиацията, аерокосмическата индустрия, навигацията, превозните средства, производството на матрици, медицинското оборудване и др. В момента източниците на топлина, използвани в процеса на адитивно производство на метали, включват три вида високоенергийни лъча, а именно лазерен лъч, електронен лъч и микролъчева плазма, както и входна топлина от синтероване. Сред тях лазерният лъч е най-широко използваният високоенергиен лъчев източник на топлина в областта на адитивно производство на метали. В сравнение с електроннолъчевите и микролъчевите плазмени източници на топлина, лазерният лъч има предимствата на фина точка, ниска цена и може да бъде насочен към определената позиция на материала. Той може да постигне незабавно топене на метални материали и да отговори на изискванията за припокриване на каналите на стопилката и формоване на детайли.

Основни принципи на лазерния 3D печат

Лазерите, използвани в лазерния 3D печат, включват влакнести лазери, полупроводникови лазери, Nd:YAG лазери и CO2 лазери. Различните материали абсорбират лазери с различна дължина на вълната по различен начин. Обикновено CO2 лазерите се използват за печат на полимери, докато влакнестите лазери се използват за печат на метални прахове.

Според различните методи на обработка, лазерното адитивно производство може да се раздели на селективно лазерно синтероване, селективно лазерно топене, директно метално лазерно синтероване, лазерно прахово отлагане, директно метално отлагане и др. Сред тях селективното лазерно топене (SLM) е една от най-широко използваните технологии за 3D лазерен печат с метал.

Основната структура на устройството за селективно лазерно топене (SLM) е показана на фигурата. Преди печат, 3D моделът трябва да бъде наслоен и след това да се определи траекторията на сканиране. Първата стъпка е равномерно остъргване на работната маса със скрепер и разпределяне на слой прах върху нея; втората стъпка е сканиране на специфична траектория върху този слой прах с лазер, за да се разтопи и да се отпечата слой; третата стъпка е преместване на работната маса с един слой надолу и след това повторение на горната операция, за да се подредят печатащите слоеве отдолу нагоре, като по този начин се образува 3D детайлът за печат. За да се предотврати окисляване, работната камера трябва да бъде евакуирана и запълнена с инертен газ по време на целия процес.

Търсенето на лазери в лазерния 3D печат
Търсенето на лазери в лазерния 3D печат се отразява главно в два аспекта: от една страна, мощност и стабилност на мощността, а от друга страна, качество на лъча и размер на точката.

01 Мощност и стабилност на мощността

Процесът на 3D печат разчита главно на топлинния ефект на лазера. Интензитетът на лазера трябва да надвиши определен енергиен праг, за да се разтопи материалът. Следователно, той обръща повече внимание на средната изходна мощност на лазера и не е чувствителен към импулсния режим на лазера. Поради това обикновено се използват непрекъснати влакнести лазери, а мощността е грубо разпределена между 100 W и 1000 W.
Колкото по-голям е моделът и колкото повече слоеве има, толкова по-дълго е времето за печат. Продължителността обикновено е от няколко часа до десетки часове. Следователно, към дългосрочната стабилна работа на лазера се поставят високи изисквания. Ако температурата е твърде висока, металният прах може да прегори и дори да доведе до претопяване на други формовани части; ако температурата е твърде ниска, металният прах не се разтопи напълно, силата на свързване е недостатъчна и формата на формования компонент може да не се запази. Следователно, стабилността на мощността на лазера е от решаващо значение за качеството на печат.

02 Качество на лъча и размер на петното

Качеството на лъча и размерът на петното са едни от ключовите параметри, които отразяват точността на печат. 3D печатът се осъществява чрез лазерно сканиране. Колкото по-малко е лазерното петно, толкова по-висока е точността на сканиране, толкова по-висока е резолюцията на отпечатания модел и толкова по-деликатна е повърхността на отпечатания детайл.
Качеството на лъча обикновено се характеризира с BPP или M2. Колкото по-близо е M2 до 1, толкова по-добро е качеството на лъча, толкова по-концентрирана е лазерната енергия и толкова по-малък е топлинният ефект върху околната област; в същото време, колкото по-добро е качеството на лъча, толкова по-малък е съответният ъгъл на отклонение и толкова по-малко ще бъде фокусираното петно.

03 GW Laser Tech и FASTFORM проучват областта на 3D печата
GW Laser Tech, като световен лидер в производството на високояркостни влакнести лазери, също активно проучва тази област на приложение с нарастването на... Технология за 3D печати пусна на пазара 500W едномодов 10μm/14μm непрекъснат оптичен лазер за 3D печат, насочен към медицински изделия, автомобилни части, аерокосмическа и други области.

Сред тях, различните диаметри на сърцевината от 10μm и 14μm определят размера на петното, което влияе главно върху плътността на мощността на лазера, т.е. количеството светлинна енергия на единица площ. При едни и същи условия на мощност, колкото по-малък е размерът на петното, толкова по-голяма е плътността на мощността на лазера. Петната с висока плътност на мощност са подходящи за печат на метални прахове с високи точки на топене или високи отражения.

Предимства на продукта:

➢ Ултратънък и лек дизайн, 19-инчов дизайн с височина 1.5U, тегло

➢ Структурата на продукта е със затворен дизайн, насочен към среда за 3D печат, което значително подобрява цялостната надеждност на лазера, ниво на защита IP65 и може да работи непрекъснато в тежки условия като висока температура, висока влажност и високо ниво на запрашеност.

➢ Максималната мощност е 500 W, което е достатъчно за формоване на обикновени метални материали като аустенитна неръждаема стомана, мартензитна неръждаема стомана, титаниева сплав, високотемпературна сплав на никелова основа, алуминиева сплав, магнезиева сплав и др.

➢ Добра стабилност на захранването, колебание на час

➢ Добро качество на лъча, M2

FASTFORM (FastForm) е компания, специализирана в научноизследователската и развойна дейност в областта на 3D технологиите и оборудването за печат, и може да предостави най-добрите услуги за бързо прототипиране и поддържащи решения. Установихме задълбочено сътрудничество с Guanghui Laser и в бъдеще ще провеждаме 3D експерименти и изследвания на ключови части в областта на аерокосмическата индустрия, автомобилните модели, биомедицината и др. Пуснахме на пазара продукти с единичен лазер FF-M140, модели FF-M150, специфични за обучение, модели с двоен лазер FF-M180D, специфични за денталната медицина, индустриални модели с високомощни лазери FF-M300H 1000W, модели с двоен лазер FF-M500 и продукти с четири лазера FF-M800, като всички те са масово произведени и поддържат персонализирани решения за локализация. Независимо разработихме FastLayer, софтуер за многолазерно рязане и генериране на траектории. Оборудването е напълно автоматично и не се нуждае от обслужване.

Този продукт има следните значителни предимства:

➢ Технология за двупосочно и променливоскоростно разпръскване на прах, висок коефициент на използване на праха.

➢ Независимо разработен софтуер за автоматично нарязване и планиране на пътища с едно щракване.

➢ Предлага се със собствена камера, която може да реализира напълно автоматичен контрол и работа без надзор от разстояние.

➢ Оборудването използва интегрирана заваръчна конструкция, която е изключително стабилна и лесна за инсталиране.

Актуално състояние и перспективи за развитие на индустрията за 3D печат
В момента 3D печатът е навлязъл в ерата на бързото прототипиране. Според статистика на Китайския институт за изследвания в бизнес индустрията, машиностроителната индустрия представлява най-големия дял от областите на приложение надолу по веригата през 2021 г., достигайки 17,5%, следвана от потребителската електроника (16,6%) и автомобилите (16,1%). С бързото развитие на потребителската електроника и автомобилната индустрия, областите на приложение на 3D печата в тези две области ще се разширят допълнително в бъдеще.

По отношение на мащаба на индустрията, според прогнозата на Китайската инвестиционна мрежа: средният годишен темп на растеж на 3D печата от 2021 до 2025 г. ще бъде около 26,59% и ще достигне 70,1 милиарда юана през 2025 г.

3D печатът обхваща три аспекта: оборудване, материали и услуги, сред които печатащото оборудване заема най-голям дял. Според данни, публикувани от CCID, мащабът на китайската индустрия за 3D печатно оборудване през 2020 г. е бил 9,254 милиарда юана, което представлява най-големия дял.

В момента цената на 3D печатащото оборудване е все още сравнително висока. От една страна, това се дължи на чуждестранни патенти и монополи. От друга страна, това е така, защото 3D индустрията в моята страна е стартирала късно, търсенето е малко, а степента на автономност е ниска. С модернизирането и развитието на висококачествената преработваща промишленост в моята страна, развитието на технологиите и намаляването на разходите, 3D печатащата индустрия в моята страна ще покаже тенденция на нарастваща локализация в бъдеще. Тясното сътрудничество между производителите на оборудване е от решаващо значение за насърчаване на мащабното развитие на 3D печатащата технология.

Guanghui Laser не само се фокусира върху изследванията и иновациите в областта на лазерните продуктови технологии, но и продължава да изследва в областта на лазерните обработващи технологии и е ангажирана да помага на клиентите си да решават проблеми с приложенията. Като водещ местен производител на оборудване за 3D печат, FASTFORM е запозната с всички аспекти на 3D печата и разполага с опитен консултантски екип, който да предоставя на клиентите професионални висококачествени продукти в областта на 3D печата. В бъдеще Guanghui Laser ще работи с FASTFORM, за да насърчи приложението и развитието на лазерната 3D технология за печат в Китай и да помогне за модернизирането на индустрията. Източник: Guanghui Laser Автор: Инженер по приложения Гу Джиасинг