Erkundung der Anwendung von Faserlasern im 3D-Metalldruck

DerAdditive ManuDie Herstellung (3D-Druck) von Metallwerkstoffen erfreut sich in der Luft- und Raumfahrt, Navigation, im Fahrzeugbau, im Formenbau und in der Medizintechnik großer Nachfrage. Als Wärmequellen für die additive Metallfertigung werden derzeit drei hochenergetische Strahlen – Laserstrahl, Elektronenstrahl und Mikroplasma – sowie Sinterwärme eingesetzt. Der Laserstrahl ist die am häufigsten eingesetzte hochenergetische Wärmequelle in der additiven Metallfertigung. Im Vergleich zu Elektronenstrahl- und Mikroplasma-Wärmequellen bietet der Laserstrahl die Vorteile eines feinen Strahls, ist kostengünstig und kann gezielt auf die gewünschte Materialposition gerichtet werden. Er ermöglicht ein sofortiges Schmelzen von Metallwerkstoffen und erfüllt die Anforderungen an Schmelzkanalüberlappung und Teileformung.

Grundprinzipien des Laser-3D-Drucks

Zu den im Laser-3D-Druck verwendeten Lasern gehören Faserlaser, Halbleiterlaser, Nd:YAG-Laser und CO2-Laser. Verschiedene Materialien absorbieren Laser unterschiedlicher Wellenlängen unterschiedlich. Üblicherweise werden CO2-Laser zum Drucken von Polymeren verwendet, während Faserlaser zum Drucken von Metallpulvern eingesetzt werden.

Je nach Verarbeitungsmethode kann die additive Fertigung mit Laser in selektives Lasersintern, selektives Laserschmelzen, direktes Metall-Lasersintern, Laserpulverauftragung, direkte Metallauftragung usw. unterteilt werden. Unter diesen ist das selektive Laserschmelzen (SLM) eine der am weitesten verbreiteten Technologien für den Metall-Laser-3D-Druck.

Der Grundaufbau des selektiven Laserschmelzens (SLM) ist in der Abbildung dargestellt. Vor dem Drucken muss das 3D-Modell geschichtet und anschließend die Scan-Trajektorie festgelegt werden. Der erste Schritt besteht darin, die Werkbank mit einem Schaber gleichmäßig abzukratzen und eine Pulverschicht darauf zu verteilen. Im zweiten Schritt wird mit einem Laser eine bestimmte Trajektorie auf dieser Pulverschicht abgetastet, um sie zu schmelzen und eine Schicht zu drucken. Im dritten Schritt wird die Werkbank eine Schicht nach unten verschoben. Anschließend wird der obige Vorgang wiederholt, um die Druckschichten von unten nach oben zu stapeln und so das zu druckende 3D-Teil zu bilden. Um Oxidation zu vermeiden, muss die Arbeitskammer während des gesamten Prozesses evakuiert und mit Inertgas gefüllt werden.

Die Nachfrage nach Lasern im Laser-3D-Druck
Der Bedarf an Lasern im Laser-3D-Druck spiegelt sich vor allem in zwei Aspekten wider: einerseits in der Leistung und Leistungsstabilität, andererseits in der Strahlqualität und Punktgröße.

01 Leistung und Leistungsstabilität

Der 3D-Druckprozess basiert hauptsächlich auf der thermischen Wirkung des Lasers. Die Laserintensität muss eine bestimmte Energieschwelle überschreiten, um das Material zu schmelzen. Daher wird der durchschnittlichen Ausgangsleistung des Lasers mehr Beachtung geschenkt und der Pulsmodus des Lasers nicht berücksichtigt. Daher werden üblicherweise kontinuierliche Faserlaser verwendet, deren Leistung etwa zwischen 100 W und 1000 W liegt.
Je größer das Modell und je mehr Schichten, desto länger die Druckzeit. Die Dauer beträgt in der Regel wenige bis mehrere Dutzend Stunden. Daher werden hohe Anforderungen an den langzeitstabilen Betrieb des Lasers gestellt. Bei zu hoher Temperatur kann das Metallpulver überbrennen und sogar andere Formteile wieder aufschmelzen. Bei zu niedriger Temperatur schmilzt das Metallpulver nicht vollständig, die Bindungskraft reicht nicht aus und die Form des geformten Bauteils bleibt möglicherweise nicht erhalten. Daher ist die Leistungsstabilität des Lasers entscheidend für die Druckqualität.

02 Strahlqualität und Spotgröße

Strahlqualität und Punktgröße sind wichtige Parameter für die Druckgenauigkeit. 3D-Druck basiert auf Laserstrahlscannen. Je kleiner der Laserpunkt, desto höher die Scangenauigkeit, desto höher die Auflösung des gedruckten Modells und desto feiner die Oberfläche des Druckteils.
Die Strahlqualität wird üblicherweise durch BPP oder M2 charakterisiert. Je näher M2 an 1 liegt, desto besser ist die Strahlqualität, desto konzentrierter ist die Laserenergie und desto geringer ist die Wärmewirkung auf die Umgebung. Gleichzeitig gilt: Je besser die Strahlqualität, desto kleiner ist der entsprechende Divergenzwinkel und desto kleiner ist der fokussierte Punkt.

03 GW Laser Tech und FASTFORMs Erkundung im Bereich des 3D-Drucks
GW Laser Tech, der weltweit führende Anbieter von Faserlasern mit hoher Helligkeit, hat mit dem Aufkommen der 3D-Drucktechnologie auch dieses Anwendungsfeld aktiv erkundet und einen 500 W starken Singlemode-10 μm/14 μm-Endlosfaserlaser für 3D-Druckanwendungen auf den Markt gebracht, der auf medizinische Geräte, Autoteile, die Luft- und Raumfahrt und andere Bereiche abzielt.

Die unterschiedlichen Kerndurchmesser von 10 μm und 14 μm bestimmen die Punktgröße, die wiederum maßgeblich die Laserleistungsdichte, also die Lichtenergiemenge pro Flächeneinheit, beeinflusst. Bei gleicher Leistung ist die Laserleistungsdichte umso höher, je kleiner die Punktgröße ist. Punkte mit hoher Leistungsdichte eignen sich zum Drucken von Metallpulvern mit hohem Schmelzpunkt oder hoher Reflexion.

Produktvorteile:

➢ Ultradünnes und leichtes Design, 19-Zoll-1,5-HE-Design, Gewicht

➢ Die Produktstruktur weist ein geschlossenes Design auf, das auf die 3D-Druckumgebung ausgerichtet ist, die Gesamtzuverlässigkeit des Lasers erheblich verbessert, die Schutzstufe IP65 erreicht und einen Dauerbetrieb in rauen Umgebungen wie hohen Temperaturen, hoher Luftfeuchtigkeit und viel Staub ermöglicht.

➢ Die maximale Leistung beträgt 500 W, was ausreicht, um gängige Metallmaterialien wie austenitischen Edelstahl, martensitischen Edelstahl, Titanlegierungen, hochwarmfeste Legierungen auf Nickelbasis, Aluminiumlegierungen, Magnesiumlegierungen usw. zu formen.

➢ Gute Leistungsstabilität, Schwankung pro Stunde

➢ Gute Strahlqualität, M2

FASTFORM (FastForm) ist ein auf die Forschung und Entwicklung von 3D-Drucktechnologie und -ausrüstung spezialisiertes Unternehmen und kann erstklassige Rapid-Prototyping-Dienste und unterstützende Lösungen anbieten. Wir arbeiten eng mit Guanghui Laser zusammen und werden künftig 3D-Druckexperimente und -forschungen an Schlüsselteilen in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Automobilmodelle, Biomedizin usw. durchführen. Wir haben die Einzellaserprodukte FF-M140, die unterrichtsspezifischen Modelle FF-M150, die zahnmedizinischen Doppellasermodelle FF-M180D, die 1000-W-Hochleistungslaser-Industriemodelle FF-M300H, die Doppellasermodelle FF-M500 und die Vierlaserprodukte FF-M800 auf den Markt gebracht. Alle diese Produkte wurden in Massenproduktion hergestellt und unterstützen kundenspezifische Lokalisierungslösungen. Wir haben FastLayer, eine Software zum Multilaser-Slicing und zur Pfadgenerierung, eigenständig entwickelt. Die Ausrüstung ist vollautomatisch und unbeaufsichtigt.

Dieses Produkt hat folgende wesentliche Vorteile:

➢ Bidirektionale Pulverstreutechnologie mit variabler Geschwindigkeit, hohe Pulvernutzungsrate.

➢ Unabhängig entwickelte Software zum automatischen Slicen und zur Pfadplanung mit einem Klick.

➢ Wird mit einer eigenen Kamera geliefert, die eine vollautomatische Steuerung und einen unbeaufsichtigten Betrieb aus der Ferne ermöglicht.

➢ Das Gerät verfügt über eine integrierte Schweißstruktur, die sehr stabil und einfach zu installieren ist.

Aktueller Stand und Entwicklungsperspektiven der 3D-Druckindustrie
Der 3D-Druck ist derzeit im Zeitalter des Rapid Prototyping angekommen. Laut Statistiken des China Business Industry Research Institute machte der Maschinenbau im Jahr 2021 mit 17,5 % den größten Anteil der nachgelagerten Anwendungsfelder aus, gefolgt von Unterhaltungselektronik (16,6 %) und Automobilen (16,1 %). Mit der rasanten Entwicklung der Unterhaltungselektronik und der Automobilindustrie werden die Anwendungsgebiete des 3D-Drucks in diesen beiden Bereichen künftig weiter ausgebaut.

Was die Größe der Branche angeht, so prognostiziert China Investment Network: Die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate des 3D-Drucks wird zwischen 2021 und 2025 bei etwa 26,59 % liegen und im Jahr 2025 70,1 Milliarden Yuan erreichen.

Der 3D-Druck umfasst drei Aspekte: Ausrüstung, Materialien und Dienstleistungen, wobei die Druckausrüstung den größten Anteil ausmacht. Laut den vom CCID veröffentlichten Daten ist das Ausmaß von Chinas3D-DruckausrüstungDer Umsatz der Industrie belief sich im Jahr 2020 auf 9,254 Milliarden Yuan und machte damit den größten Anteil aus.

Derzeit sind die Preise für 3D-Druckgeräte noch relativ hoch. Dies liegt zum einen an ausländischen Patenten und Monopolen. Zum anderen liegt es daran, dass die 3D-Industrie in China erst spät gegründet wurde, die Nachfrage gering ist und der Grad an Autonomie gering ist. Mit der Modernisierung und Entwicklung der High-End-Fertigungsindustrie, der technologischen Entwicklung und der Kostensenkung wird die 3D-Druckindustrie in China künftig einen Trend zur Lokalisierung aufweisen. Eine enge Zusammenarbeit zwischen den Geräteherstellern ist entscheidend für die großflächige Entwicklung der 3D-Drucktechnologie.

Guanghui Laser konzentriert sich nicht nur auf die Forschung und Innovation im Bereich der Laserprodukttechnologie, sondern forscht auch kontinuierlich im Bereich der Laserbearbeitungstechnologie und unterstützt Kunden bei der Lösung von Anwendungsproblemen. Als führender chinesischer Hersteller von 3D-Druckgeräten ist FASTFORM mit allen Aspekten des 3D-Drucks vertraut und verfügt über ein erfahrenes Beratungsteam, das Kunden professionelle High-End-Produkte im Bereich 3D-Druck bietet. Guanghui Laser wird künftig mit FASTFORM zusammenarbeiten, um die Anwendung und Entwicklung der Laser-3D-Drucktechnologie in China zu fördern und die Branche zu modernisieren. Quelle: Guanghui Laser Autor: Anwendungsingenieur Gu Jiaxing