Διερεύνηση της εφαρμογής του οπτικού λέιζερ στην τρισδιάστατη εκτύπωση μετάλλων

Ο Προσθετικό ΜανούΗ διαδικασία κατασκευής (τρισδιάστατη εκτύπωση) μεταλλικών υλικών έχει μεγάλη ζήτηση στους τομείς της αεροπορίας, της αεροδιαστημικής, της ναυσιπλοΐας, των οχημάτων, της κατασκευής καλουπιών, του ιατρικού εξοπλισμού κ.λπ. Προς το παρόν, οι πηγές θερμότητας που χρησιμοποιούνται στη διαδικασία κατασκευής προσθέτων μετάλλων περιλαμβάνουν τρεις δέσμες υψηλής ενέργειας, συγκεκριμένα δέσμη λέιζερ, δέσμη ηλεκτρονίων και πλάσμα μικροδέσμης, καθώς και είσοδο θερμότητας πυροσυσσωμάτωσης. Μεταξύ αυτών, η δέσμη λέιζερ είναι η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη πηγή θερμότητας δέσμης υψηλής ενέργειας στον τομέα της κατασκευής προσθέτων μετάλλων. Σε σύγκριση με τις πηγές θερμότητας δέσμης ηλεκτρονίων και πλάσματος μικροδέσμης, η δέσμη λέιζερ έχει τα πλεονεκτήματα της λεπτής κηλίδας, του χαμηλού κόστους και της δυνατότητας κατεύθυνσης προς την καθορισμένη θέση του υλικού. Μπορεί να επιτύχει άμεση τήξη μεταλλικών υλικών και να ικανοποιήσει τις απαιτήσεις επικάλυψης καναλιών τήξης και διαμόρφωσης εξαρτημάτων.

Βασικές αρχές της τρισδιάστατης εκτύπωσης με λέιζερ

Τα λέιζερ που χρησιμοποιούνται στην τρισδιάστατη εκτύπωση με λέιζερ περιλαμβάνουν λέιζερ οπτικών ινών, λέιζερ ημιαγωγών, λέιζερ Nd:YAG και λέιζερ CO2. Διαφορετικά υλικά απορροφούν λέιζερ διαφορετικών μηκών κύματος με διαφορετικό τρόπο. Συνήθως, τα λέιζερ CO2 χρησιμοποιούνται για την εκτύπωση πολυμερών, ενώ τα λέιζερ οπτικών ινών χρησιμοποιούνται για την εκτύπωση μεταλλικών σκονών.

Σύμφωνα με διαφορετικές μεθόδους επεξεργασίας, η κατασκευή προσθέτων λέιζερ μπορεί να χωριστεί σε επιλεκτική σύντηξη με λέιζερ, επιλεκτική τήξη με λέιζερ, άμεση σύντηξη με λέιζερ μετάλλου, εναπόθεση σκόνης λέιζερ, άμεση εναπόθεση μετάλλων κ.λπ. Μεταξύ αυτών, η επιλεκτική τήξη με λέιζερ (SLM) είναι μια από τις πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες τεχνολογίες τρισδιάστατης εκτύπωσης με λέιζερ μετάλλων.

Η βασική δομή της συσκευής εκτύπωσης επιλεκτικής τήξης με λέιζερ (SLM) φαίνεται στο σχήμα. Πριν από την εκτύπωση, το τρισδιάστατο μοντέλο πρέπει να τοποθετηθεί σε στρώσεις και στη συνέχεια να καθοριστεί η τροχιά σάρωσης. Το πρώτο βήμα είναι να ξύσετε ομοιόμορφα τον πάγκο εργασίας με μια ξύστρα και να απλώσετε ένα στρώμα σκόνης πάνω του. Το δεύτερο βήμα είναι να σαρώσετε μια συγκεκριμένη τροχιά σε αυτό το στρώμα σκόνης με λέιζερ για να το λιώσετε και να εκτυπώσετε ένα στρώμα. Το τρίτο βήμα είναι να μετακινήσετε τον πάγκο εργασίας κατά ένα στρώμα προς τα κάτω και στη συνέχεια να επαναλάβετε την παραπάνω λειτουργία για να στοιβάξετε τα στρώματα εκτύπωσης από κάτω προς τα πάνω, σχηματίζοντας έτσι το τρισδιάστατο τμήμα που θα εκτυπωθεί. Για να αποφευχθεί η οξείδωση, ο θάλαμος εργασίας πρέπει να εκκενωθεί και να γεμίσει με αδρανές αέριο κατά τη διάρκεια ολόκληρης της διαδικασίας.

Η ζήτηση για λέιζερ στην τρισδιάστατη εκτύπωση με λέιζερ
Η ζήτηση για λέιζερ στην τρισδιάστατη εκτύπωση με λέιζερ αντικατοπτρίζεται κυρίως σε δύο πτυχές: αφενός, στην ισχύ και τη σταθερότητα ισχύος, και αφετέρου, στην ποιότητα της δέσμης και στο μέγεθος της κηλίδας.

01 Ισχύς και σταθερότητα ισχύος

Η διαδικασία τρισδιάστατης εκτύπωσης βασίζεται κυρίως στη θερμική επίδραση του λέιζερ. Η ένταση του λέιζερ πρέπει να υπερβαίνει ένα συγκεκριμένο όριο ενέργειας για να λιώσει το υλικό. Επομένως, δίνει μεγαλύτερη προσοχή στη μέση ισχύ εξόδου του λέιζερ και δεν είναι ευαίσθητη στη λειτουργία παλμού του λέιζερ. Επομένως, συνήθως χρησιμοποιούνται λέιζερ συνεχούς οπτικής ίνας, των οποίων η ισχύς κατανέμεται περίπου μεταξύ 100W και 1000W.
Όσο μεγαλύτερο είναι το μοντέλο και όσο περισσότερες οι στρώσεις, τόσο μεγαλύτερος είναι ο χρόνος εκτύπωσης. Η διάρκεια είναι γενικά από μερικές ώρες έως δεκάδες ώρες. Επομένως, τίθενται υψηλές απαιτήσεις στη μακροπρόθεσμη σταθερή λειτουργία του λέιζερ. Εάν η θερμοκρασία είναι πολύ υψηλή, η μεταλλική σκόνη μπορεί να καεί υπερβολικά και ακόμη και να προκαλέσει την επανατήξη άλλων διαμορφωμένων εξαρτημάτων. Εάν η θερμοκρασία είναι πολύ χαμηλή, η μεταλλική σκόνη δεν έχει λιώσει πλήρως, η δύναμη συγκόλλησης είναι ανεπαρκής και το σχήμα του διαμορφωμένου εξαρτήματος μπορεί να μην διατηρηθεί. Επομένως, η σταθερότητα ισχύος του λέιζερ είναι ζωτικής σημασίας για την ποιότητα εκτύπωσης.

02 Ποιότητα δέσμης και μέγεθος κηλίδας

Η ποιότητα της δέσμης και το μέγεθος της κηλίδας είναι μία από τις βασικές παραμέτρους που αντικατοπτρίζουν την ακρίβεια της εκτύπωσης. Η τρισδιάστατη εκτύπωση δημιουργείται με σάρωση δέσμης λέιζερ. Όσο μικρότερη είναι η κηλίδα λέιζερ, τόσο υψηλότερη είναι η ακρίβεια σάρωσης, τόσο υψηλότερη είναι η ανάλυση του εκτυπωμένου μοντέλου και τόσο πιο ευαίσθητη είναι η επιφάνεια του εκτυπωμένου εξαρτήματος.
Η ποιότητα της δέσμης συνήθως χαρακτηρίζεται από BPP ή M2. Όσο πιο κοντά στο 1 είναι το M2, τόσο καλύτερη είναι η ποιότητα της δέσμης, τόσο πιο συγκεντρωμένη είναι η ενέργεια του λέιζερ και τόσο μικρότερη είναι η θερμική επίδραση στην περιβάλλουσα περιοχή. Ταυτόχρονα, όσο καλύτερη είναι η ποιότητα της δέσμης, τόσο μικρότερη είναι η αντίστοιχη γωνία απόκλισης και τόσο μικρότερο θα είναι το εστιασμένο σημείο.

03 Η GW Laser Tech και η εξερεύνηση της FASTFORM στον τομέα της τρισδιάστατης εκτύπωσης
Η GW Laser Tech, ως παγκόσμιος ηγέτης στα λέιζερ οπτικών ινών υψηλής φωτεινότητας, έχει επίσης διερευνήσει ενεργά αυτόν τον τομέα εφαρμογών με την άνοδο του Τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης, και λάνσαρε ένα μονοτροπικό λέιζερ συνεχούς ίνας 10μm/14μm 500W για εφαρμογές τρισδιάστατης εκτύπωσης, με στόχο ιατρικές συσκευές, ανταλλακτικά αυτοκινήτων, αεροδιαστημική και άλλους τομείς.

Μεταξύ αυτών, οι διαφορετικές διάμετροι πυρήνα 10μm και 14μm καθορίζουν το μέγεθος της κηλίδας, το οποίο επηρεάζει κυρίως την πυκνότητα ισχύος του λέιζερ, δηλαδή την ποσότητα φωτεινής ενέργειας ανά μονάδα επιφάνειας. Υπό τις ίδιες συνθήκες ισχύος, όσο μικρότερο είναι το μέγεθος της κηλίδας, τόσο μεγαλύτερη είναι η πυκνότητα ισχύος του λέιζερ. Οι κηλίδες υψηλής πυκνότητας ισχύος είναι κατάλληλες για την εκτύπωση μεταλλικών σκονών με υψηλά σημεία τήξης ή υψηλές ανακλάσεις.

Πλεονεκτήματα προϊόντος:

➢ Εξαιρετικά λεπτός και ελαφρύς σχεδιασμός, ύψος 19 ιντσών 1,5U, βάρος

➢ Η δομή του προϊόντος υιοθετεί κλειστό σχεδιασμό, που στοχεύει στο περιβάλλον τρισδιάστατης εκτύπωσης, βελτιώνοντας σημαντικά τη συνολική αξιοπιστία του λέιζερ, το επίπεδο προστασίας IP65 και μπορεί να λειτουργεί συνεχώς σε σκληρά περιβάλλοντα όπως υψηλή θερμοκρασία, υψηλή υγρασία και υψηλή σκόνη.

➢ Η μέγιστη ισχύς είναι 500W, η οποία είναι αρκετή για να σχηματίσει κοινά μεταλλικά υλικά όπως ωστενιτικό ανοξείδωτο χάλυβα, μαρτενσιτικό ανοξείδωτο χάλυβα, κράμα τιτανίου, κράμα υψηλής θερμοκρασίας με βάση το νικέλιο, κράμα αλουμινίου, κράμα μαγνησίου κ.λπ.

➢ Καλή σταθερότητα ισχύος, διακύμανση ανά ώρα

➢ Καλή ποιότητα δέσμης, M2

Η FASTFORM (FastForm) είναι μια εταιρεία που ειδικεύεται στην έρευνα και ανάπτυξη τεχνολογίας και εξοπλισμού τρισδιάστατης εκτύπωσης και μπορεί να παρέχει κορυφαίες υπηρεσίες ταχείας δημιουργίας πρωτοτύπων και υποστηρικτικές λύσεις. Έχουμε καθιερώσει εις βάθος συνεργασία με την Guanghui Laser και στο μέλλον θα διεξάγουμε πειράματα και έρευνα τρισδιάστατης εκτύπωσης σε βασικά μέρη στους τομείς της αεροδιαστημικής, των μοντέλων αυτοκινήτων, της βιοϊατρικής κ.λπ. Έχουμε λανσάρει προϊόντα μονού λέιζερ FF-M140, μοντέλα FF-M150 ειδικά για διδασκαλία, μοντέλα FF-M180D διπλού λέιζερ ειδικά για οδοντιατρική, βιομηχανικά μοντέλα λέιζερ υψηλής ισχύος FF-M300H 1000W, μοντέλα διπλού λέιζερ FF-M500 και προϊόντα τεσσάρων λέιζερ FF-M800, και όλα αυτά έχουν παραχθεί μαζικά και υποστηρίζουν προσαρμοσμένες λύσεις εντοπισμού θέσης. Αναπτύξαμε ανεξάρτητα το FastLayer, ένα λογισμικό κοπής και δημιουργίας διαδρομής πολλαπλών λέιζερ. Ο εξοπλισμός είναι πλήρως αυτόματος και χωρίς επίβλεψη.

Αυτό το προϊόν έχει τα ακόλουθα σημαντικά πλεονεκτήματα:

➢ Τεχνολογία αμφίδρομης και μεταβλητής ταχύτητας διασποράς σκόνης, υψηλό ποσοστό αξιοποίησης σκόνης.

➢ Ανεξάρτητα αναπτυγμένο λογισμικό για την ολοκλήρωση της αυτόματης κοπής και του σχεδιασμού διαδρομής με ένα κλικ.

➢ Διαθέτει δική του κάμερα, η οποία μπορεί να πραγματοποιήσει πλήρως αυτόματο έλεγχο και λειτουργία χωρίς επιτήρηση από απόσταση.

➢ Ο εξοπλισμός υιοθετεί μια ενσωματωμένη δομή συγκόλλησης, η οποία είναι εξαιρετικά σταθερή και εύκολη στην εγκατάσταση.

Η τρέχουσα κατάσταση και οι προοπτικές ανάπτυξης της βιομηχανίας τρισδιάστατης εκτύπωσης
Προς το παρόν, η τρισδιάστατη εκτύπωση έχει εισέλθει στην εποχή της ταχείας δημιουργίας πρωτοτύπων. Σύμφωνα με στατιστικά στοιχεία του Ινστιτούτου Έρευνας Επιχειρηματικής Βιομηχανίας της Κίνας, η βιομηχανία μηχανημάτων αντιπροσωπεύει το μεγαλύτερο ποσοστό των πεδίων εφαρμογής κατάντη το 2021, φτάνοντας το 17,5%, ακολουθούμενη από τα ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης (16,6%) και τα αυτοκίνητα (16,1%). Με την ταχεία ανάπτυξη των ηλεκτρονικών ειδών ευρείας κατανάλωσης και της αυτοκινητοβιομηχανίας, οι τομείς εφαρμογής της τρισδιάστατης εκτύπωσης σε αυτούς τους δύο τομείς θα επεκταθούν περαιτέρω στο μέλλον.

Όσον αφορά την κλίμακα του κλάδου, σύμφωνα με την πρόβλεψη του Δικτύου Επενδύσεων της Κίνας: ο μέσος ετήσιος σύνθετος ρυθμός ανάπτυξης της τρισδιάστατης εκτύπωσης από το 2021 έως το 2025 θα είναι περίπου 26,59% και θα φτάσει τα 70,1 δισεκατομμύρια γιουάν το 2025.

Η τρισδιάστατη εκτύπωση καλύπτει τρεις πτυχές: εξοπλισμό, υλικά και υπηρεσίες, μεταξύ των οποίων ο εξοπλισμός εκτύπωσης αντιπροσωπεύει το μεγαλύτερο μερίδιο. Σύμφωνα με στοιχεία που δημοσίευσε το CCID, η κλίμακα της βιομηχανίας εξοπλισμού τρισδιάστατης εκτύπωσης της Κίνας το 2020 ήταν 9,254 δισεκατομμύρια γιουάν, αντιπροσωπεύοντας το μεγαλύτερο ποσοστό.

Προς το παρόν, η τιμή του εξοπλισμού τρισδιάστατης εκτύπωσης εξακολουθεί να είναι σχετικά υψηλή. Αφενός, οφείλεται σε ξένες ευρεσιτεχνίες και μονοπώλια. Αφετέρου, οφείλεται στο γεγονός ότι η βιομηχανία τρισδιάστατης εκτύπωσης της χώρας μου ξεκίνησε αργά, η ζήτηση είναι μικρή και ο βαθμός αυτονομίας είναι χαμηλός. Με την αναβάθμιση και την ανάπτυξη της βιομηχανίας υψηλής τεχνολογίας της χώρας μου, την ανάπτυξη της τεχνολογίας και τη μείωση του κόστους, η βιομηχανία τρισδιάστατης εκτύπωσης της χώρας μου θα δείξει μια τάση αυξανόμενης τοπικής προσαρμογής στο μέλλον. Η στενή συνεργασία μεταξύ των κατασκευαστών εξοπλισμού είναι ζωτικής σημασίας για την προώθηση της μεγάλης κλίμακας ανάπτυξης της τεχνολογίας τρισδιάστατης εκτύπωσης.

Η Guanghui Laser δεν επικεντρώνεται μόνο στην έρευνα και την καινοτομία της τεχνολογίας προϊόντων λέιζερ, αλλά συνεχίζει επίσης να διερευνά στον τομέα της τεχνολογίας επεξεργασίας λέιζερ και έχει δεσμευτεί να βοηθά τους πελάτες να επιλύουν προβλήματα εφαρμογών. Ως κορυφαίος εγχώριος κατασκευαστής εξοπλισμού τρισδιάστατης εκτύπωσης, η FASTFORM είναι εξοικειωμένη με όλες τις πτυχές της τρισδιάστατης εκτύπωσης και διαθέτει μια έμπειρη ομάδα συμβούλων για να παρέχει στους πελάτες επαγγελματικά προϊόντα υψηλής ποιότητας στον τομέα της τρισδιάστατης εκτύπωσης. Στο μέλλον, η Guanghui Laser θα συνεργαστεί με την FASTFORM για την προώθηση της εφαρμογής και της ανάπτυξης της τεχνολογίας τρισδιάστατης εκτύπωσης λέιζερ στην Κίνα και την αναβάθμιση του κλάδου. Πηγή: Guanghui Laser Συγγραφέας: Μηχανικός εφαρμογών Gu Jiaxing