Exploración de la aplicación del láser de fibra en la impresión 3D de metales.

El Manufactura aditivaEl proceso de fabricación (impresión 3D) de materiales metálicos tiene una gran demanda en los sectores de aviación, aeroespacial, navegación, automoción, fabricación de moldes, equipos médicos, etc. Actualmente, las fuentes de calor utilizadas en la fabricación aditiva de metales incluyen tres haces de alta energía: láser, electrones y plasma de microhaz, además del aporte térmico de sinterización. Entre ellos, el láser es la fuente de calor de haz de alta energía más utilizada en la fabricación aditiva de metales. En comparación con las fuentes de calor de haz de electrones y plasma de microhaz, el láser ofrece ventajas como un punto focal preciso, bajo coste y la posibilidad de dirigirlo a la posición específica del material. Permite la fusión instantánea de los materiales metálicos y cumple con los requisitos de superposición del canal de fusión y formación de piezas.

Principios básicos de la impresión 3D láser

Los láseres utilizados en la impresión 3D láser incluyen láseres de fibra, láseres semiconductores, láseres Nd:YAG y láseres de CO2. Los distintos materiales absorben de forma diferente los láseres de diferentes longitudes de onda. Generalmente, los láseres de CO2 se utilizan para imprimir polímeros, mientras que los láseres de fibra se utilizan para imprimir polvos metálicos.

Según los diferentes métodos de procesamiento, la fabricación aditiva por láser se puede dividir en sinterización selectiva por láser, fusión selectiva por láser, sinterización directa de metal por láser, deposición de polvo por láser, deposición directa de metal, etc. Entre ellas, la fusión selectiva por láser (SLM) es una de las tecnologías de impresión 3D de metal por láser más utilizadas.

La estructura básica del dispositivo de impresión por fusión selectiva por láser (SLM) se muestra en la figura. Antes de imprimir, el modelo 3D debe estar estructurado en capas y, a continuación, se debe determinar la trayectoria de escaneo. El primer paso consiste en raspar uniformemente la mesa de trabajo con una espátula y extender una capa de polvo sobre ella; el segundo paso consiste en escanear una trayectoria específica sobre esta capa de polvo con un láser para fundirla e imprimir una capa; el tercer paso consiste en bajar la mesa de trabajo una capa y, a continuación, repetir la operación anterior para apilar las capas de impresión de abajo hacia arriba, formando así la pieza 3D que se va a imprimir. Para evitar la oxidación, la cámara de trabajo debe estar al vacío y llena de gas inerte durante todo el proceso.

La demanda de láseres en la impresión 3D láser
La demanda de láseres en la impresión 3D láser se refleja principalmente en dos aspectos: por un lado, la potencia y la estabilidad de la potencia, y por otro lado, la calidad del haz y el tamaño del punto.

01 Potencia y estabilidad de la potencia

El proceso de impresión 3D se basa principalmente en el efecto térmico del láser. La intensidad del láser debe superar un cierto umbral de energía para fundir el material. Por lo tanto, se presta mayor atención a la potencia de salida promedio del láser y no es sensible al modo de pulso. En consecuencia, se suelen utilizar láseres de fibra continuos, con una potencia que oscila entre 100 W y 1000 W.
Cuanto mayor sea el modelo y más capas tenga, mayor será el tiempo de impresión. Generalmente, la duración oscila entre unas pocas horas y varias decenas de horas. Por lo tanto, se exige un funcionamiento estable y prolongado del láser. Si la temperatura es demasiado alta, el polvo metálico puede sobrecalentarse e incluso provocar la refundición de otras piezas; si la temperatura es demasiado baja, el polvo metálico no se funde por completo, la fuerza de unión es insuficiente y la forma del componente impreso puede perderse. Por consiguiente, la estabilidad de la potencia del láser es crucial para la calidad de impresión.

02 Calidad del haz y tamaño del punto

La calidad del haz y el tamaño del punto son parámetros clave que reflejan la precisión de la impresión. La impresión 3D se realiza mediante el escaneo con láser. Cuanto menor sea el punto láser, mayor será la precisión del escaneo, mayor la resolución del modelo impreso y más fina será la superficie de la pieza impresa.
La calidad del haz se suele caracterizar mediante BPP o M2. Cuanto más cerca esté M2 de 1, mejor será la calidad del haz, mayor será la concentración de la energía láser y menor el efecto térmico en la zona circundante; asimismo, cuanto mejor sea la calidad del haz, menor será el ángulo de divergencia correspondiente y menor será el punto focal.

03 GW Laser Tech y la exploración de FASTFORM en el campo de la impresión 3D
GW Laser Tech, como líder mundial en láseres de fibra de alto brillo, también ha explorado activamente este campo de aplicación con el auge de Tecnología de impresión 3Dy lanzó un láser de fibra continua monomodo de 500 W y 10 μm/14 μm para aplicaciones de impresión 3D, dirigido a dispositivos médicos, piezas de automóviles, aeroespacial y otros campos.

Entre ellos, los distintos diámetros del núcleo (10 μm y 14 μm) determinan el tamaño del punto, que influye principalmente en la densidad de potencia del láser, es decir, la cantidad de energía lumínica por unidad de área. En las mismas condiciones de potencia, cuanto menor sea el tamaño del punto, mayor será la densidad de potencia del láser. Los puntos de alta densidad de potencia son adecuados para imprimir polvos metálicos con puntos de fusión elevados o alta reflectividad.

Ventajas del producto:

➢ Diseño ultradelgado y ligero, diseño de 19 pulgadas y altura 1.5U, peso

➢ La estructura del producto adopta un diseño cerrado, orientado al entorno de impresión 3D, lo que mejora enormemente la fiabilidad general del láser, el nivel de protección IP65 y la capacidad de funcionar de forma continua en entornos adversos como altas temperaturas, alta humedad y mucho polvo.

➢ La potencia máxima es de 500 W, suficiente para formar materiales metálicos comunes como acero inoxidable austenítico, acero inoxidable martensítico, aleación de titanio, aleación de alta temperatura a base de níquel, aleación de aluminio, aleación de magnesio, etc.

➢ Buena estabilidad de potencia, fluctuación por hora

➢ Buena calidad del haz, M2

FASTFORM (FastForm) es una empresa especializada en la investigación y el desarrollo de tecnología y equipos de impresión 3D, y ofrece servicios de prototipado rápido de primer nivel y soluciones de soporte. Hemos establecido una estrecha colaboración con Guanghui Laser y, en el futuro, realizaremos experimentos e investigaciones de impresión 3D en componentes clave para los sectores aeroespacial, automotriz, biomédico, etc. Hemos lanzado los productos FF-M140 (láser único), FF-M150 (modelos específicos para la enseñanza), FF-M180D (láser dual específico para odontología), FF-M300H (láser industrial de alta potencia de 1000 W), FF-M500 (láser dual) y FF-M800 (láser cuádruple). Todos ellos se producen en masa y ofrecen soluciones de localización personalizadas. Hemos desarrollado de forma independiente FastLayer, un software de segmentación y generación de trayectorias para múltiples láseres. El equipo es totalmente automático y no requiere supervisión.

Este producto presenta las siguientes ventajas significativas:

➢ Tecnología de dispersión de polvo bidireccional y de velocidad variable, con una alta tasa de aprovechamiento del polvo.

➢ Software desarrollado de forma independiente para realizar el corte automático y la planificación de trayectorias con un solo clic.

➢ Viene con su propia cámara, que permite un control totalmente automático y un funcionamiento remoto sin supervisión.

➢ El equipo adopta una estructura de soldadura integrada, que es muy estable y fácil de instalar.

Situación actual y perspectivas de desarrollo de la industria de la impresión 3D.
Actualmente, la impresión 3D ha entrado en la era del prototipado rápido. Según las estadísticas del Instituto de Investigación de la Industria Empresarial de China, la industria de la maquinaria representó la mayor proporción de los campos de aplicación derivados en 2021, alcanzando el 17,5 %, seguida de la electrónica de consumo (16,6 %) y la automoción (16,1 %). Con el rápido desarrollo de la electrónica de consumo y la industria automotriz, las áreas de aplicación de la impresión 3D en estos dos sectores se ampliarán aún más en el futuro.

En términos de escala industrial, según las previsiones de China Investment Network, la tasa de crecimiento anual compuesta promedio de la impresión 3D entre 2021 y 2025 será de aproximadamente el 26,59%, y alcanzará los 70.100 millones de yuanes en 2025.

La impresión 3D abarca tres aspectos: equipos, materiales y servicios, siendo los equipos de impresión los que representan la mayor parte. Según datos publicados por CCID, el tamaño de la industria china de equipos de impresión 3D en 2020 fue de 9.254 millones de yuanes, lo que representa la mayor proporción.

Actualmente, el precio de los equipos de impresión 3D sigue siendo relativamente alto. Esto se debe, por un lado, a las patentes y monopolios extranjeros y, por otro, a que la industria 3D de nuestro país se inició tarde, la demanda es baja y el grado de autonomía es limitado. Con la modernización y el desarrollo de la industria manufacturera de alta tecnología de nuestro país, el avance tecnológico y la reducción de costos, la industria de la impresión 3D mostrará una tendencia creciente hacia la localización en el futuro. La estrecha cooperación entre los fabricantes de equipos es crucial para impulsar el desarrollo a gran escala de la tecnología de impresión 3D.

Guanghui Laser no solo se centra en la investigación e innovación de la tecnología de productos láser, sino que también continúa explorando el campo de la tecnología de procesamiento láser y se compromete a ayudar a sus clientes a resolver problemas de aplicación. Como fabricante líder nacional de equipos de impresión 3D, FASTFORM conoce a fondo todos los aspectos de la impresión 3D y cuenta con un equipo de consultoría experimentado para ofrecer a sus clientes productos profesionales de alta gama en este campo. En el futuro, Guanghui Laser colaborará con FASTFORM para promover la aplicación y el desarrollo de la tecnología de impresión 3D láser en China y contribuir a la modernización del sector. Fuente: Guanghui Laser. Autor: Ingeniero de Aplicaciones Gu Jiaxing.