Erforschung der Anwendung von Faserlasern im 3D-Metalldruck

Der Additive ManuDie additive Fertigung (3D-Druck) von Metallwerkstoffen ist in Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, Schifffahrt, Fahrzeugbau, Formenbau und Medizintechnik stark nachgefragt. Aktuell werden in der additiven Fertigung von Metallen drei Hochenergie-Strahlenarten – Laser, Elektronenstrahl und Mikroplasma – sowie Sinterwärme eingesetzt. Der Laser ist dabei die am weitesten verbreitete Hochenergie-Strahlenwärmequelle. Im Vergleich zu Elektronenstrahl und Mikroplasma bietet der Laserstrahl Vorteile wie einen feinen Fokus, geringe Kosten und die Möglichkeit, ihn präzise auf die gewünschte Materialposition zu richten. Er ermöglicht das sofortige Aufschmelzen von Metallwerkstoffen und erfüllt die Anforderungen an die Überlappung der Schmelzkanäle und die Formgebung der Bauteile.

Grundprinzipien des Laser-3D-Drucks

Die in der Laser-3D-Drucktechnik verwendeten Laser umfassen Faserlaser, Halbleiterlaser, Nd:YAG-Laser und CO₂-Laser. Unterschiedliche Materialien absorbieren Laserlicht unterschiedlicher Wellenlängen unterschiedlich. Üblicherweise werden CO₂-Laser zum Drucken von Polymeren und Faserlaser zum Drucken von Metallpulvern eingesetzt.

Je nach Verarbeitungsmethode lässt sich die additive Fertigung mit Laser in selektives Lasersintern, selektives Laserschmelzen, direktes Metall-Lasersintern, Laserpulverauftrag, direkte Metallauftragsabscheidung usw. unterteilen. Das selektive Laserschmelzen (SLM) ist eine der am weitesten verbreiteten Metall-Laser-3D-Drucktechnologien.

Die grundlegende Struktur des SLM-Druckgeräts (Selektives Laserschmelzen) ist in der Abbildung dargestellt. Vor dem Druckvorgang muss das 3D-Modell schichtweise aufgebaut und die Scanbahn festgelegt werden. Im ersten Schritt wird die Arbeitsfläche mit einem Spachtel gleichmäßig abgeschabt und eine Pulverschicht darauf verteilt. Im zweiten Schritt wird diese Pulverschicht mit einem Laser entlang einer definierten Bahn abgetastet, um das Pulver zu schmelzen und eine Schicht zu drucken. Im dritten Schritt wird die Arbeitsfläche um eine Schicht abgesenkt, und der Vorgang wird wiederholt, um die Druckschichten von unten nach oben aufzubauen und so das 3D-Bauteil zu formen. Um Oxidation zu verhindern, muss die Arbeitskammer während des gesamten Prozesses evakuiert und mit Inertgas gefüllt werden.

Die Nachfrage nach Lasern im Laser-3D-Druck
Die Nachfrage nach Lasern im Laser-3D-Druck spiegelt sich hauptsächlich in zwei Aspekten wider: zum einen in der Leistung und Leistungsstabilität, zum anderen in der Strahlqualität und der Spotgröße.

01 Stromversorgung und Stromstabilität

Der 3D-Druckprozess basiert hauptsächlich auf dem thermischen Effekt des Lasers. Die Laserintensität muss einen bestimmten Energieschwellenwert überschreiten, um das Material zu schmelzen. Daher kommt es vor allem auf die mittlere Ausgangsleistung des Lasers an und weniger auf den Pulsmodus. Aus diesem Grund werden üblicherweise kontinuierliche Faserlaser mit einer Leistung zwischen 100 W und 1000 W eingesetzt.
Je größer das Modell und je mehr Schichten, desto länger die Druckzeit. Diese liegt in der Regel zwischen einigen Stunden und mehreren Dutzend Stunden. Daher werden hohe Anforderungen an den stabilen Langzeitbetrieb des Lasers gestellt. Ist die Temperatur zu hoch, kann das Metallpulver überhitzen und sogar zum erneuten Aufschmelzen anderer Bauteile führen; ist die Temperatur zu niedrig, schmilzt das Metallpulver nicht vollständig, die Haftkraft ist unzureichend und die Form des Bauteils kann sich verändern. Die Leistungsstabilität des Lasers ist daher entscheidend für die Druckqualität.

02 Strahlqualität und Spotgröße

Die Strahlqualität und die Spotgröße sind entscheidende Parameter für die Druckgenauigkeit. 3D-Druck basiert auf dem Scannen mit einem Laserstrahl. Je kleiner der Laserspot, desto höher die Scangenauigkeit, desto höher die Auflösung des gedruckten Modells und desto feiner die Oberfläche des gedruckten Teils.
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 der Wärmeeffekt auf die Umgebung; gleichzeitig ist bei besserer Strahlqualität der entsprechende Divergenzwinkel kleiner und der Fokuspunkt kleiner.

03 GW Laser Tech und FASTFORMs Erkundungen auf dem Gebiet des 3D-Drucks
GW Laser Tech, als weltweit führender Anbieter von Hochleistungs-Faserlasern, hat dieses Anwendungsgebiet mit dem Aufkommen von 3D-Drucktechnologieund brachte einen 500-Watt-Singlemode-10μm/14μm-Dauerstrich-Faserlaser für 3D-Druckanwendungen auf den Markt, der auf medizinische Geräte, Automobilteile, Luft- und Raumfahrt und andere Bereiche abzielt.

Die unterschiedlichen Kerndurchmesser von 10 μm und 14 μm bestimmen die Spotgröße, die maßgeblich die Laserleistungsdichte beeinflusst, also die Lichtenergie pro Flächeneinheit. Bei gleicher Leistung gilt: Je kleiner die Spotgröße, desto höher die Laserleistungsdichte. Spots mit hoher Leistungsdichte eignen sich zum Bedrucken von Metallpulvern mit hohen Schmelzpunkten oder hohem Reflexionsvermögen.

Produktvorteile:

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

➢ Die Produktstruktur ist in geschlossener Bauweise ausgeführt und speziell für den Einsatz im 3D-Druckbereich konzipiert. Dadurch wird die Gesamtzuverlässigkeit des Lasers erheblich verbessert. Das Gerät entspricht der Schutzart IP65 und kann auch unter rauen Bedingungen wie hohen Temperaturen, hoher Luftfeuchtigkeit und hoher Staubbelastung kontinuierlich betrieben werden.

➢ Die maximale Leistung beträgt 500 W, was ausreicht, um gängige Metallwerkstoffe wie austenitischen Edelstahl, martensitischen Edelstahl, Titanlegierungen, Nickelbasis-Hochtemperaturlegierungen, Aluminiumlegierungen, Magnesiumlegierungen usw. zu formen.

➢ Gute Leistungsstabilität, Schwankung pro Stunde

➢ Gute Strahlqualität, M2

FASTFORM (FastForm) ist ein Unternehmen, das sich auf die Forschung und Entwicklung von 3D-Drucktechnologie und -anlagen spezialisiert hat und erstklassige Rapid-Prototyping-Services sowie umfassende Lösungen anbietet. Wir arbeiten eng mit Guanghui Laser zusammen und werden zukünftig 3D-Druckexperimente und -forschungen an Schlüsselkomponenten für die Bereiche Luft- und Raumfahrt, Automobilbau, Biomedizin usw. durchführen. Wir haben folgende Produkte auf den Markt gebracht: FF-M140 (Einzellaser), FF-M150 (Schulungsmodell), FF-M180D (Duallaser-Modell für die Zahnmedizin), FF-M300H (1000-W-Hochleistungslaser für die Industrie), FF-M500 (Duallaser) und FF-M800 (Vier-Laser-Produkt). Alle diese Produkte werden in Serie gefertigt und bieten kundenspezifische Lokalisierungslösungen. Wir haben FastLayer, eine Software für Multi-Laser-Slicing und Pfadgenerierung, selbst entwickelt. Die Anlagen arbeiten vollautomatisch und unbeaufsichtigt.

Dieses Produkt bietet folgende wesentliche Vorteile:

➢ Bidirektionale und variable Geschwindigkeits-Pulverstreutechnologie, hohe Pulverausnutzungsrate.

➢ Eigenständig entwickelte Software zur automatischen Erstellung von Schnitten und Pfadplanung mit nur einem Klick.

➢ Verfügt über eine eigene Kamera, die eine vollautomatische Steuerung und einen unbeaufsichtigten Fernbetrieb ermöglicht.

➢ Das Gerät verfügt über eine integrierte Schweißkonstruktion, die eine hohe Stabilität und einfache Installation ermöglicht.

Aktueller Stand und Entwicklungsperspektiven der 3D-Druckindustrie
Der 3D-Druck befindet sich aktuell im Zeitalter des Rapid Prototyping. Laut Statistiken des China Business Industry Research Institute entfiel 2021 mit 17,5 % der größte Anteil der Anwendungsbereiche auf den Maschinenbau, gefolgt von der Unterhaltungselektronik (16,6 %) und der Automobilindustrie (16,1 %). Angesichts der rasanten Entwicklung der Unterhaltungselektronik und der Automobilindustrie werden sich die Anwendungsbereiche des 3D-Drucks in diesen beiden Branchen zukünftig weiter ausdehnen.

Was den Umfang der Branche betrifft, so prognostiziert das China Investment Network: Die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate des 3D-Drucks wird von 2021 bis 2025 etwa 26,59 % betragen und im Jahr 2025 ein Volumen von 70,1 Milliarden Yuan erreichen.

Der 3D-Druck umfasst drei Bereiche: Ausrüstung, Materialien und Dienstleistungen, wobei die Druckausrüstung den größten Anteil ausmacht. Laut Daten des CCID belief sich der Umsatz der chinesischen 3D-Druckausrüstungsindustrie im Jahr 2020 auf 9,254 Milliarden Yuan und stellte damit den größten Anteil dar.

Aktuell sind 3D-Druckanlagen noch relativ teuer. Dies liegt zum einen an ausländischen Patenten und Monopolen, zum anderen daran, dass die 3D-Druckindustrie in meinem Land erst spät in Gang kam, die Nachfrage gering ist und der Grad an Autonomie niedrig. Mit der Modernisierung und Weiterentwicklung der High-End-Fertigungsindustrie in meinem Land, dem technologischen Fortschritt und sinkenden Kosten wird die 3D-Druckindustrie in Zukunft einen Trend zu mehr Lokalisierung aufweisen. Eine enge Zusammenarbeit zwischen den Anlagenherstellern ist entscheidend für die Förderung der großflächigen Entwicklung der 3D-Drucktechnologie.

Guanghui Laser konzentriert sich nicht nur auf die Forschung und Innovation von Laserprodukttechnologien, sondern erforscht auch kontinuierlich den Bereich der Laserbearbeitungstechnologie und unterstützt seine Kunden bei der Lösung ihrer Anwendungsprobleme. Als führender chinesischer Hersteller von 3D-Druckanlagen ist FASTFORM mit allen Aspekten des 3D-Drucks bestens vertraut und verfügt über ein erfahrenes Beratungsteam, das Kunden professionelle High-End-Produkte im Bereich 3D-Druck bietet. Zukünftig wird Guanghui Laser gemeinsam mit FASTFORM die Anwendung und Entwicklung der Laser-3D-Drucktechnologie in China vorantreiben und zur Modernisierung der Branche beitragen. Quelle: Guanghui Laser; Autor: Anwendungsingenieur Gu Jiaxing