بررسی کاربرد لیزر فیبری در چاپ سه بعدی فلزات

افزودنی مانوفرآیند ساخت (چاپ سه‌بعدی) مواد فلزی در زمینه‌های هوانوردی، هوافضا، ناوبری، وسایل نقلیه، ساخت قالب، تجهیزات پزشکی و غیره تقاضای زیادی دارد. در حال حاضر، منابع حرارتی مورد استفاده در فرآیند ساخت افزایشی فلز شامل سه پرتو پرانرژی، یعنی پرتو لیزر، پرتو الکترونی و پلاسمای میکرو-پرتو و همچنین ورودی گرمای تف‌جوشی است. در میان آنها، پرتو لیزر پرکاربردترین منبع حرارتی پرتو پرانرژی در زمینه ساخت افزایشی فلز است. در مقایسه با منابع حرارتی پلاسمای پرتو الکترونی و میکرو-پرتو، پرتو لیزر مزایای نقطه دقیق، هزینه کم و قابلیت هدایت به موقعیت مشخص شده ماده را دارد. این پرتو می‌تواند ذوب فوری مواد فلزی را انجام دهد و الزامات همپوشانی کانال مذاب و تشکیل قطعه را برآورده کند.

اصول اولیه چاپ سه بعدی لیزری

لیزرهای مورد استفاده در چاپ سه بعدی لیزری شامل لیزرهای فیبری، لیزرهای نیمه هادی، لیزرهای Nd:YAG و لیزرهای CO2 هستند. مواد مختلف، لیزرهای با طول موج‌های مختلف را به طور متفاوتی جذب می‌کنند. معمولاً از لیزرهای CO2 برای چاپ پلیمرها استفاده می‌شود، در حالی که از لیزرهای فیبری برای چاپ پودرهای فلزی استفاده می‌شود.

با توجه به روش‌های مختلف پردازش، تولید افزایشی لیزری را می‌توان به پخت لیزری انتخابی، ذوب لیزری انتخابی، پخت لیزری مستقیم فلز، رسوب پودر لیزری، رسوب مستقیم فلز و غیره تقسیم کرد. در میان آنها، ذوب لیزری انتخابی (SLM) یکی از پرکاربردترین فناوری‌های چاپ سه‌بعدی لیزری فلز است.

ساختار اساسی دستگاه چاپ ذوب انتخابی لیزر (SLM) در شکل نشان داده شده است. قبل از چاپ، مدل سه‌بعدی باید لایه لایه شود و سپس مسیر اسکن باید تعیین شود. مرحله اول این است که میز کار را با یک خراشنده به طور یکنواخت خراش دهید و یک لایه پودر روی آن پخش کنید. مرحله دوم این است که یک مسیر خاص روی این لایه پودر را با لیزر اسکن کنید تا آن را ذوب کرده و یک لایه چاپ کنید. مرحله سوم این است که میز کار را به اندازه یک لایه به پایین حرکت دهید و سپس عملیات فوق را تکرار کنید تا لایه‌های چاپ از پایین به بالا روی هم قرار گیرند و بدین ترتیب قطعه سه‌بعدی مورد نظر برای چاپ تشکیل شود. برای جلوگیری از اکسیداسیون، محفظه کار باید در طول کل فرآیند تخلیه و با گاز بی‌اثر پر شود.

تقاضا برای لیزر در چاپ سه بعدی لیزری
تقاضا برای لیزر در چاپ سه بعدی لیزری عمدتاً در دو جنبه منعکس می‌شود: از یک طرف، توان و پایداری توان، و از طرف دیگر، کیفیت پرتو و اندازه نقطه تابش.

01 قدرت و پایداری قدرت

فرآیند چاپ سه بعدی عمدتاً به اثر حرارتی لیزر متکی است. شدت لیزر باید از یک آستانه انرژی خاص فراتر رود تا ماده را ذوب کند. بنابراین، بیشتر به میانگین توان خروجی لیزر توجه می‌کند و به حالت پالس لیزر حساس نیست. بنابراین، معمولاً از لیزرهای فیبری پیوسته استفاده می‌شود و توان تقریباً بین 100 تا 1000 وات توزیع می‌شود.
هرچه مدل بزرگتر و لایه‌های بیشتری داشته باشد، زمان چاپ طولانی‌تر می‌شود. مدت زمان چاپ عموماً از چند ساعت تا ده‌ها ساعت است. بنابراین، الزامات بالایی برای عملکرد پایدار و بلندمدت لیزر وجود دارد. اگر دما خیلی بالا باشد، پودر فلز ممکن است بیش از حد بسوزد و حتی باعث ذوب مجدد سایر قطعات شکل گرفته شود. اگر دما خیلی پایین باشد، پودر فلز کاملاً ذوب نمی‌شود، نیروی اتصال کافی نیست و شکل قطعه شکل گرفته ممکن است حفظ نشود. بنابراین، پایداری توان لیزر برای کیفیت چاپ بسیار مهم است.

02 کیفیت پرتو و اندازه نقطه

کیفیت پرتو و اندازه نقطه، یکی از پارامترهای کلیدی هستند که دقت چاپ را نشان می‌دهند. چاپ سه‌بعدی با اسکن پرتو لیزر شکل می‌گیرد. هرچه نقطه لیزر کوچکتر باشد، دقت اسکن بالاتر، وضوح مدل چاپ شده بالاتر و سطح قطعه چاپ شده ظریف‌تر است.
کیفیت پرتو معمولاً با BPP یا M2 مشخص می‌شود. هرچه M2 به ۱ نزدیک‌تر باشد، کیفیت پرتو بهتر، انرژی لیزر متمرکزتر و اثر گرمایی آن بر ناحیه اطراف کمتر است؛ در عین حال، هرچه کیفیت پرتو بهتر باشد، زاویه واگرایی مربوطه کوچکتر و نقطه کانونی کوچکتر خواهد بود.

03 اکتشافات GW Laser Tech و FASTFORM در زمینه چاپ سه بعدی
شرکت GW Laser Tech، به عنوان رهبر جهانی در لیزرهای فیبری با درخشندگی بالا، با ظهور ...، به طور فعال این زمینه کاربردی را نیز بررسی کرده است. فناوری چاپ سه بعدیو یک لیزر فیبری پیوسته تک حالته ۵۰۰ واتی با طول موج ۱۰ میکرومتر/۱۴ میکرومتر برای کاربردهای چاپ سه‌بعدی، با هدف استفاده در دستگاه‌های پزشکی، قطعات خودرو، هوافضا و سایر زمینه‌ها، راه‌اندازی کرد.

در میان آنها، قطرهای مختلف هسته 10μm و 14μm اندازه نقطه را تعیین می‌کنند که عمدتاً بر چگالی توان لیزر، یعنی مقدار انرژی نور در واحد سطح، تأثیر می‌گذارد. در شرایط توان یکسان، هرچه اندازه نقطه کوچکتر باشد، چگالی توان لیزر بیشتر است. نقاط با چگالی توان بالا برای چاپ پودرهای فلزی با نقاط ذوب بالا یا بازتاب‌های زیاد مناسب هستند.

مزایای محصول:

➢ طراحی فوق‌العاده نازک و سبک، طراحی ارتفاع ۱۹ اینچ و ۱.۵ یونیت، وزن کمتر از ۲۰ کیلوگرم، ساختار جمع و جور، اندازه کوچک، وزن سبک، راحتی بی‌نظیر در ادغام و تطبیق‌پذیری انعطاف‌پذیر.

➢ ساختار محصول از یک طراحی بسته، مناسب برای محیط چاپ سه‌بعدی، بهره می‌برد که قابلیت اطمینان کلی لیزر، سطح حفاظت IP65 را تا حد زیادی بهبود می‌بخشد و می‌تواند به طور مداوم در محیط‌های سخت مانند دمای بالا، رطوبت بالا و گرد و غبار زیاد کار کند.

➢ حداکثر توان ۵۰۰ وات است که برای شکل‌دهی مواد فلزی رایج مانند فولاد ضد زنگ آستنیتی، فولاد ضد زنگ مارتنزیتی، آلیاژ تیتانیوم، آلیاژ دمای بالای پایه نیکل، آلیاژ آلومینیوم، آلیاژ منیزیم و غیره کافی است.

➢ پایداری خوب توان، نوسان در ساعت کمتر از 0.5٪، تضمین ثبات فرآیند برای چاپ بسیار طولانی.

➢ کیفیت پرتو خوب، M2

FASTFORM (FastForm) شرکتی متخصص در تحقیق و توسعه فناوری و تجهیزات چاپ سه‌بعدی است و می‌تواند خدمات نمونه‌سازی سریع و راه‌حل‌های پشتیبانی برتر را ارائه دهد. ما همکاری عمیقی با Guanghui Laser برقرار کرده‌ایم و در آینده آزمایش‌ها و تحقیقات چاپ سه‌بعدی را روی قطعات کلیدی در زمینه‌های هوافضا، مدل‌های خودرو، زیست‌پزشکی و غیره انجام خواهیم داد. ما محصولات لیزر تکی FF-M140، مدل‌های مخصوص آموزش FF-M150، مدل‌های لیزر دوگانه FF-M180D مخصوص دندانپزشکی، مدل‌های صنعتی لیزر پرقدرت FF-M300H 1000W، مدل‌های لیزر دوگانه FF-M500 و محصولات لیزر چهارگانه FF-M800 را عرضه کرده‌ایم و همه آنها به تولید انبوه رسیده‌اند و از راه‌حل‌های محلی‌سازی سفارشی پشتیبانی می‌کنند. ما به طور مستقل FastLayer، یک نرم‌افزار برش چند لیزری و تولید مسیر، را توسعه داده‌ایم. این تجهیزات کاملاً خودکار و بدون نیاز به مراقبت هستند.

این محصول مزایای قابل توجهی دارد:

➢ فناوری پخش پودر دو جهته و با سرعت متغیر، نرخ بالای استفاده از پودر.

➢ نرم‌افزاری که به صورت مستقل توسعه داده شده است تا برش خودکار و برنامه‌ریزی مسیر را تنها با یک کلیک انجام دهد.

➢ مجهز به دوربین مخصوص به خود است که می‌تواند کنترل کاملاً خودکار و عملیات بدون نظارت را از راه دور انجام دهد.

➢ این تجهیزات از یک ساختار جوشکاری یکپارچه بهره می‌برند که بسیار پایدار و نصب آن آسان است.

وضعیت فعلی و چشم‌انداز توسعه صنعت چاپ سه‌بعدی
در حال حاضر، چاپ سه بعدی وارد دوران نمونه سازی سریع شده است. طبق آمار موسسه تحقیقات صنعت کسب و کار چین، صنعت ماشین آلات با رسیدن به 17.5٪، بیشترین سهم از زمینه های کاربردی پایین دستی را در سال 2021 به خود اختصاص داده است و پس از آن لوازم الکترونیکی مصرفی (16.6٪) و خودرو (16.1٪) قرار دارند. با توسعه سریع لوازم الکترونیکی مصرفی و صنعت خودرو، زمینه های کاربردی چاپ سه بعدی در این دو زمینه در آینده بیشتر گسترش خواهد یافت.

از نظر مقیاس صنعت، طبق پیش‌بینی شبکه سرمایه‌گذاری چین: میانگین نرخ رشد مرکب سالانه چاپ سه‌بعدی از سال ۲۰۲۱ تا ۲۰۲۵ حدود ۲۶.۵۹ درصد خواهد بود و در سال ۲۰۲۵ به ۷۰.۱ میلیارد یوان خواهد رسید.

چاپ سه‌بعدی سه جنبه را پوشش می‌دهد: تجهیزات، مواد و خدمات، که در این میان تجهیزات چاپ بیشترین سهم را به خود اختصاص داده‌اند. طبق داده‌های منتشر شده توسط CCID، مقیاس صنعت تجهیزات چاپ سه‌بعدی چین در سال ۲۰۲۰، ۹.۲۵۴ میلیارد یوان بوده است که بیشترین سهم را به خود اختصاص داده است.

در حال حاضر، قیمت تجهیزات چاپ سه‌بعدی هنوز نسبتاً بالاست. از یک سو، این به دلیل ثبت اختراعات و انحصارات خارجی است. از سوی دیگر، به این دلیل است که صنعت سه‌بعدی کشور من دیر شروع شد، تقاضا کم است و درجه استقلال پایین است. با ارتقا و توسعه صنعت تولیدی پیشرفته کشور من، توسعه فناوری و کاهش هزینه‌ها، صنعت چاپ سه‌بعدی کشور من در آینده روند افزایش بومی‌سازی را نشان خواهد داد. همکاری نزدیک بین تولیدکنندگان تجهیزات برای ارتقای توسعه گسترده فناوری چاپ سه‌بعدی بسیار مهم است.

شرکت گوانگ‌هویی لیزر نه تنها بر تحقیق و نوآوری در فناوری محصولات لیزری تمرکز دارد، بلکه به کاوش در زمینه فناوری پردازش لیزری نیز ادامه می‌دهد و متعهد به کمک به مشتریان در حل مشکلات کاربردی است. شرکت FASTFORM به عنوان یک تولیدکننده پیشرو تجهیزات چاپ سه‌بعدی داخلی، با تمام جنبه‌های چاپ سه‌بعدی آشنا است و یک تیم مشاوره باتجربه دارد تا محصولات حرفه‌ای و باکیفیتی را در زمینه چاپ سه‌بعدی به مشتریان ارائه دهد. در آینده، گوانگ‌هویی لیزر با FASTFORM همکاری خواهد کرد تا کاربرد و توسعه فناوری چاپ سه‌بعدی لیزری را در چین ترویج دهد و به ارتقاء این صنعت کمک کند. منبع: گوانگ‌هویی لیزر نویسنده: مهندس کاربرد گو جیاشینگ