Průzkum využití vláknového laseru v 3D tisku kovů

Ten/Ta/To Aditivní ManuProces výroby (3D tisku) kovových materiálů je velmi žádaný v oblastech letectví, kosmonautiky, navigace, vozidel, výroby forem, zdravotnických zařízení atd. V současné době zahrnují zdroje tepla používané v procesu aditivní výroby kovů tři vysokoenergetické paprsky, a to laserový paprsek, elektronový paprsek a mikroplazmový paprsek, a také vstup tepla pro slinování. Laserový paprsek je mezi nimi nejrozšířenějším vysokoenergetickým zdrojem tepla v oblasti aditivní výroby kovů. Ve srovnání se zdroji tepla elektronovým paprskem a mikroplazmovým paprskem má laserový paprsek výhody jemného bodu, nízkých nákladů a možnosti nasměrování do specifikované polohy materiálu. Dokáže dosáhnout okamžitého tavení kovových materiálů a splnit požadavky na překrytí tavných kanálů a tvarování dílů.

Základní principy laserového 3D tisku

Mezi lasery používané v laserovém 3D tisku patří vláknové lasery, polovodičové lasery, Nd:YAG lasery a CO2 lasery. Různé materiály absorbují lasery různých vlnových délek odlišně. CO2 lasery se obvykle používají k tisku polymerů, zatímco vláknové lasery k tisku kovových prášků.

Podle různých metod zpracování lze laserovou aditivní výrobu rozdělit na selektivní laserové spékání, selektivní laserové tavení, přímé laserové spékání kovů, laserové nanášení prášku, přímé nanášení kovů atd. Mezi nimi je selektivní laserové tavení (SLM) jednou z nejrozšířenějších technologií 3D tisku kovů laserem.

Základní struktura tiskového zařízení se selektivním laserovým tavením (SLM) je znázorněna na obrázku. Před tiskem je nutné 3D model vrstvit a poté určit trajektorii skenování. Prvním krokem je rovnoměrné seškrábnutí pracovního stolu škrabkou a nanesení vrstvy prášku na něj; druhým krokem je naskenování specifické trajektorie na této vrstvě prášku laserem, aby se roztavil a vytiskla vrstva; třetím krokem je posunutí pracovního stolu o jednu vrstvu dolů a následné opakování výše uvedené operace pro vrstvení tiskových vrstev zdola nahoru, čímž se vytvoří 3D díl určený k tisku. Aby se zabránilo oxidaci, musí být pracovní komora během celého procesu evakuována a naplněna inertním plynem.

Poptávka po laserech v laserovém 3D tisku
Poptávka po laserech v laserovém 3D tisku se odráží hlavně ve dvou aspektech: na jedné straně výkon a stabilita výkonu a na druhé straně kvalita paprsku a velikost bodu.

01 Výkon a stabilita výkonu

Proces 3D tisku se spoléhá hlavně na tepelný účinek laseru. Intenzita laseru musí překročit určitou energetickou hranici, aby se materiál roztavil. Proto se více věnuje průměrnému výstupnímu výkonu laseru a není citlivý na pulzní režim laseru. Proto se obvykle používají kontinuální vláknové lasery s výkonem zhruba rozděleným mezi 100 W a 1000 W.
Čím větší je model a čím více vrstev, tím delší je doba tisku. Doba trvání se obvykle pohybuje od několika hodin do desítek hodin. Proto jsou kladeny vysoké požadavky na dlouhodobý stabilní provoz laseru. Pokud je teplota příliš vysoká, může se kovový prášek přepálit a dokonce způsobit přetavení dalších tvarovaných dílů; pokud je teplota příliš nízká, kovový prášek se zcela neroztaví, spojovací síla je nedostatečná a tvar tvarovaného dílu se nemusí zachovat. Proto je pro kvalitu tisku klíčová výkonová stabilita laseru.

02 Kvalita paprsku a velikost bodu

Kvalita paprsku a velikost bodu jsou jedním z klíčových parametrů, které odrážejí přesnost tisku. 3D tisk je vytvořen skenováním laserovým paprskem. Čím menší je laserový bod, tím vyšší je přesnost skenování, tím vyšší je rozlišení tištěného modelu a tím jemnější je povrch tištěného dílu.
Kvalita paprsku se obvykle charakterizuje pomocí BPP nebo M2. Čím blíže je M2 k 1, tím lepší je kvalita paprsku, tím koncentrovanější je laserová energie a tím menší je tepelný účinek na okolní oblast; zároveň platí, že čím lepší je kvalita paprsku, tím menší je odpovídající úhel divergence a tím menší bude zaostřená skvrna.

03 GW Laser Tech a FASTFORM: Průzkum v oblasti 3D tisku
Společnost GW Laser Tech, jakožto světový lídr v oblasti vysoce jasných vláknových laserů, aktivně zkoumá tuto oblast aplikací s nástupem... Technologie 3D tiskua uvedla na trh 500W jednomodový kontinuální vláknový laser s vlnovou délkou 10 μm/14 μm pro 3D tiskové aplikace, zaměřený na lékařské přístroje, automobilové díly, letecký průmysl a další oblasti.

Mezi nimi různé průměry jádra 10 μm a 14 μm určují velikost skvrny, která ovlivňuje hlavně hustotu laserového výkonu, tj. množství světelné energie na jednotku plochy. Za stejných výkonových podmínek platí, že čím menší je velikost skvrny, tím větší je hustota laserového výkonu. Skutečnosti s vysokou hustotou výkonu jsou vhodné pro tisk kovových prášků s vysokými body tání nebo vysokými odrazy.

Výhody produktu:

➢ Ultratenký a lehký design, výška 19 palců (1,5U), hmotnost

➢ Konstrukce produktu využívá uzavřený design zaměřený na prostředí 3D tisku, což výrazně zlepšuje celkovou spolehlivost laseru, stupeň krytí IP65 a umožňuje nepřetržitý provoz v náročných podmínkách, jako jsou vysoké teploty, vysoká vlhkost a vysoká prašnost.

➢ Maximální výkon je 500 W, což je dostatečné pro tváření běžných kovových materiálů, jako je austenitická nerezová ocel, martenzitická nerezová ocel, titanová slitina, vysokoteplotní slitina na bázi niklu, hliníková slitina, hořčíková slitina atd.

➢ Dobrá stabilita napájení, kolísání za hodinu

➢ Dobrá kvalita paprsku, M2

FASTFORM (FastForm) je společnost specializující se na výzkum a vývoj technologií a zařízení pro 3D tisk a může poskytovat špičkové služby rychlého prototypování a podpůrná řešení. Navázali jsme hlubokou spolupráci se společností Guanghui Laser a v budoucnu budeme provádět experimenty s 3D tiskem a výzkum klíčových součástí v oblasti letectví, automobilových modelů, biomedicíny atd. Uvedli jsme na trh produkty FF-M140 s jedním laserem, modely FF-M150 určené pro výuku, modely FF-M180D s dvojitým laserem určené pro zubní lékařství, průmyslové modely FF-M300H s vysokým výkonem 1000 W, modely s dvojitým laserem FF-M500 a produkty FF-M800 se čtyřmi lasery, přičemž všechny byly vyráběny sériově a podporují zakázková lokalizační řešení. Nezávisle jsme vyvinuli FastLayer, software pro řezání a generování drah více laserů. Zařízení je plně automatické a bezobslužné.

Tento produkt má následující významné výhody:

➢ Technologie obousměrného a proměnného rychlostního nanášení prášku, vysoká míra využití prášku.

➢ Nezávisle vyvinutý software pro automatické krájení a plánování tras jedním kliknutím.

➢ Dodává se s vlastní kamerou, která umožňuje plně automatické ovládání a bezobslužný provoz na dálku.

➢ Zařízení využívá integrovanou svařovací konstrukci, která je vysoce stabilní a snadno se instaluje.

Aktuální stav a perspektivy rozvoje 3D tiskového průmyslu
V současné době 3D tisk vstoupil do éry rychlého prototypování. Podle statistik Čínského výzkumného institutu pro obchodní a průmyslový průmysl (CBI) se v roce 2021 největší podíl aplikačních oblastí v navazujících technologiích podílel strojírenský průmysl, který dosáhl 17,5 %, následovaný spotřební elektronikou (16,6 %) a automobily (16,1 %). S rychlým rozvojem spotřební elektroniky a automobilového průmyslu se aplikační oblasti 3D tisku v těchto dvou oblastech v budoucnu dále rozšíří.

Pokud jde o rozsah odvětví, podle prognózy China Investment Network bude průměrná roční složená míra růstu 3D tisku v letech 2021 až 2025 činit přibližně 26,59 % a v roce 2025 dosáhne 70,1 miliardy juanů.

3D tisk zahrnuje tři aspekty: zařízení, materiály a služby, z nichž největší podíl tvoří tisková zařízení. Podle údajů zveřejněných CCID činil rozsah čínského průmyslu 3D tiskových zařízení v roce 2020 9,254 miliardy juanů, což představuje největší podíl.

V současné době je cena 3D tiskových zařízení stále relativně vysoká. Na jedné straně je to kvůli zahraničním patentům a monopolům. Na druhé straně je to proto, že 3D průmysl v mé zemi začal pozdě, poptávka je malá a stupeň autonomie je nízký. S modernizací a rozvojem špičkového zpracovatelského průmyslu v mé zemi, rozvojem technologií a snižováním nákladů bude 3D tiskový průmysl v mé zemi v budoucnu vykazovat trend rostoucí lokalizace. Úzká spolupráce mezi výrobci zařízení je klíčová pro podporu rozsáhlého rozvoje 3D tiskové technologie.

Společnost Guanghui Laser se zaměřuje nejen na výzkum a inovace v oblasti laserových technologií, ale také neustále zkoumá oblast laserových technologií a je odhodlána pomáhat zákazníkům řešit aplikační problémy. Jako přední domácí výrobce 3D tiskových zařízení je společnost FASTFORM obeznámena se všemi aspekty 3D tisku a má zkušený konzultační tým, který zákazníkům poskytuje profesionální špičkové produkty v oblasti 3D tisku. V budoucnu bude společnost Guanghui Laser spolupracovat se společností FASTFORM na propagaci aplikace a vývoje laserové 3D tiskové technologie v Číně a na modernizaci tohoto odvětví. Zdroj: Guanghui Laser Autor: Aplikační inženýr Gu Jiaxing