Udforskning af anvendelsen af ​​fiberlaser i 3D-printning af metal

De AdditivmanuFremstillingsprocesser (3D-printning) af metalmaterialer er meget efterspurgte inden for luftfart, rumfart, navigation, køretøjer, formfremstilling, medicinsk udstyr osv. I øjeblikket omfatter de varmekilder, der anvendes i den additive metalfremstillingsproces, tre højenergistråler, nemlig laserstråle, elektronstråle og mikrostråleplasma, samt sintringsvarmetilførsel. Blandt disse er laserstrålen den mest anvendte højenergistrålevarmekilde inden for additiv metalfremstilling. Sammenlignet med elektronstråle- og mikrostråleplasmavarmekilder har laserstrålen fordelene ved finpunktsbehandling, lave omkostninger og kan rettes mod den specificerede materialeposition. Den kan opnå øjeblikkelig smeltning af metalmaterialer og opfylde kravene til overlapning af smeltekanaler og formning af dele.

Grundlæggende principper for laser 3D-printning

De lasere, der anvendes i laser 3D-printning, omfatter fiberlasere, halvlederlasere, Nd:YAG-lasere og CO2-lasere. Forskellige materialer absorberer lasere med forskellige bølgelængder forskelligt. Normalt bruges CO2-lasere til at printe polymerer, mens fiberlasere bruges til at printe metalpulver.

Ifølge forskellige forarbejdningsmetoder kan laseradditiv fremstilling opdeles i selektiv lasersintring, selektiv lasersmeltning, direkte metallasersintring, laserpulveraflejring, direkte metalaflejring osv. Blandt dem er selektiv lasersmeltning (SLM) en af ​​de mest anvendte metallaser 3D-printteknologier.

Den grundlæggende struktur af den selektive lasersmeltende (SLM) printenhed er vist i figuren. Før printning skal 3D-modellen lagdeles, og derefter skal scanningsbanen bestemmes. Det første trin er at skrabe arbejdsbordet jævnt med en skraber og fordele et lag pulver på den; det andet trin er at scanne en specifik bane på dette pulverlag med en laser for at smelte det og printe et lag; det tredje trin er at flytte arbejdsbordet et lag ned og derefter gentage ovenstående operation for at stable printlagene fra bund til top og dermed danne den 3D-del, der skal printes. For at forhindre oxidation skal arbejdskammeret evakueres og fyldes med inert gas under hele processen.

Efterspørgslen efter lasere til laser 3D-printning
Efterspørgslen efter lasere til laser 3D-printning afspejles primært i to aspekter: på den ene side effekt og effektstabilitet, og på den anden side strålekvalitet og punktstørrelse.

01 Effekt og effektstabilitet

3D-printningsprocessen er primært afhængig af laserens termiske effekt. Laserintensiteten skal overstige en bestemt energitærskel for at smelte materialet. Derfor er der større fokus på laserens gennemsnitlige udgangseffekt og er ikke følsom over for laserens pulstilstand. Derfor anvendes der normalt kontinuerlige fiberlasere, og effekten er groft fordelt mellem 100 W og 1000 W.
Jo større modellen er, og jo flere lag der er, desto længere er printtiden. Varigheden er generelt fra et par timer til snesevis af timer. Derfor stilles der høje krav til laserens langsigtede stabile drift. Hvis temperaturen er for høj, kan metalpulveret overbrændes og endda forårsage, at andre formede dele smelter igen; hvis temperaturen er for lav, smeltes metalpulveret ikke helt, bindingskraften er utilstrækkelig, og formen på den formede komponent opretholdes muligvis ikke. Derfor er laserens effektstabilitet afgørende for printkvaliteten.

02 Strålekvalitet og spotstørrelse

Strålekvalitet og punktstørrelse er en af ​​de vigtigste parametre, der afspejler printnøjagtigheden. 3D-printning dannes ved laserstrålescanning. Jo mindre laserpunktet er, desto højere er scanningsnøjagtigheden, desto højere er opløsningen af ​​den printede model, og desto mere sart er overfladen af ​​den printede del.
Strålekvaliteten er normalt karakteriseret ved BPP eller M2. Jo tættere M2 er på 1, desto bedre er strålekvaliteten, desto mere koncentreret er laserenergien, og desto mindre er varmeeffekten på det omgivende område. Samtidig gælder det, at jo bedre strålekvaliteten er, desto mindre er den tilsvarende divergensvinkel, og desto mindre vil det fokuserede punkt være.

03 GW Laser Tech og FASTFORMs udforskning inden for 3D-printning
GW Laser Tech, som verdens førende inden for fiberlasere med høj lysstyrke, har også aktivt udforsket dette anvendelsesområde med fremkomsten af 3D-printteknologi, og lancerede en 500W single-mode 10μm/14μm kontinuerlig fiberlaser til 3D-printapplikationer, målrettet medicinsk udstyr, bildele, luftfart og andre områder.

Blandt dem bestemmer de forskellige kernediametre på 10 μm og 14 μm punktstørrelsen, hvilket primært påvirker laserens effekttæthed, det vil sige mængden af ​​lysenergi pr. arealenhed. Under de samme effektforhold gælder det, at jo mindre punktstørrelsen er, desto større er laserens effekttæthed. Punkter med høj effekttæthed er egnede til trykning af metalpulver med høje smeltepunkter eller høje refleksioner.

Produktfordele:

➢ Ultratyndt og let design, 19-tommer 1,5U højdedesign, vægt

➢ Produktstrukturen anvender et lukket design, der er rettet mod 3D-printmiljøer, hvilket forbedrer laserens samlede pålidelighed betydeligt, IP65-beskyttelsesniveauet og kan fungere kontinuerligt i barske miljøer såsom høj temperatur, høj luftfugtighed og meget støv.

➢ Den maksimale effekt er 500 W, hvilket er nok til at danne almindelige metalmaterialer såsom austenitisk rustfrit stål, martensitisk rustfrit stål, titanlegering, nikkelbaseret højtemperaturlegering, aluminiumlegering, magnesiumlegering osv.

➢ God strømstabilitet, udsving i timen

➢ God strålekvalitet, M2

FASTFORM (FastForm) er en virksomhed, der specialiserer sig i forskning og udvikling af 3D-printteknologi og -udstyr, og kan tilbyde førsteklasses rapid prototyping-tjenester og supportløsninger. Vi har etableret et dybdegående samarbejde med Guanghui Laser og vil i fremtiden udføre 3D-printeksperimenter og -forskning på nøgledele inden for luftfart, bilmodeller, biomedicin osv. Vi har lanceret FF-M140 enkeltlaserprodukter, FF-M150 undervisningsspecifikke modeller, FF-M180D dobbeltlaser-specifikke tandlægemodeller, FF-M300H 1000W højtydende laserindustrielle modeller, FF-M500 dobbeltlasermodeller og FF-M800 firelaserprodukter, og alle disse er blevet masseproduceret og understøtter tilpassede lokaliseringsløsninger. Vi har uafhængigt udviklet FastLayer, en software til multilaserskæring og stigenerering. Udstyret er fuldautomatisk og uovervåget.

Dette produkt har følgende betydelige fordele:

➢ Tovejs og variabel hastigheds pulverspredningsteknologi, høj pulverudnyttelsesgrad.

➢ Uafhængigt udviklet software til automatisk slicing og stiplanlægning med et enkelt klik.

➢ Leveres med eget kamera, som kan udføre fuldautomatisk kontrol og uovervåget drift på afstand.

➢ Udstyret anvender en integreret svejsestruktur, som er yderst stabil og nem at installere.

Nuværende status og udviklingsudsigter for 3D-printindustrien
I øjeblikket er 3D-printning trådt ind i æraen med hurtig prototyping. Ifølge statistikker fra China Business Industry Research Institute tegnede maskinindustrien sig for den største andel af downstream-applikationsområder i 2021 og nåede 17,5%, efterfulgt af forbrugerelektronik (16,6%) og biler (16,1%). Med den hurtige udvikling af forbrugerelektronik og bilindustrien vil anvendelsesområderne for 3D-printning inden for disse to områder blive yderligere udvidet i fremtiden.

Med hensyn til industriens skala, ifølge China Investment Networks prognose, vil den gennemsnitlige årlige sammensatte vækstrate for 3D-printning fra 2021 til 2025 være omkring 26,59%, og den vil nå 70,1 milliarder yuan i 2025.

3D-printning dækker tre aspekter: udstyr, materialer og tjenester, hvoraf printudstyr tegner sig for den største andel. Ifølge data offentliggjort af CCID var omfanget af Kinas 3D-printudstyrsindustri i 2020 9,254 milliarder yuan, hvilket tegnede sig for den største andel.

I øjeblikket er prisen på 3D-printudstyr stadig relativt høj. På den ene side skyldes det udenlandske patenter og monopoler. På den anden side skyldes det, at mit lands 3D-industri startede sent, efterspørgslen er lille, og graden af ​​autonomi er lav. Med opgraderingen og udviklingen af ​​mit lands high-end fremstillingsindustri, teknologiudvikling og omkostningsreduktion vil mit lands 3D-printindustri vise en tendens til stigende lokalisering i fremtiden. Et tæt samarbejde mellem udstyrsproducenter er afgørende for at fremme den storstilede udvikling af 3D-printteknologi.

Guanghui Laser fokuserer ikke kun på forskning og innovation inden for laserproduktteknologi, men fortsætter også med at udforske inden for laserbehandlingsteknologi og er dedikeret til at hjælpe kunder med at løse applikationsproblemer. Som en førende indenlandsk producent af 3D-printudstyr er FASTFORM bekendt med alle aspekter af 3D-printning og har et erfarent konsulentteam til at give kunderne professionelle high-end-produkter inden for 3D-printning. I fremtiden vil Guanghui Laser samarbejde med FASTFORM for at fremme anvendelsen og udviklingen af ​​laser 3D-printteknologi i Kina og hjælpe med at opgradere branchen. Kilde: Guanghui Laser Forfatter: Applikationsingeniør Gu Jiaxing