Exploration de l'application du laser à fibre dans l'impression 3D métallique

Le Additif ManuLe procédé de fabrication additive métallique (impression 3D) est très demandé dans les secteurs de l'aéronautique, de l'aérospatiale, de la navigation, de l'automobile, de la fabrication de moules, du matériel médical, etc. Actuellement, les sources de chaleur utilisées dans ce procédé comprennent trois faisceaux à haute énergie : le faisceau laser, le faisceau d'électrons et le plasma microfaisceau, ainsi que le frittage. Parmi eux, le faisceau laser est la source de chaleur à haute énergie la plus répandue. Comparé aux faisceaux d'électrons et au plasma microfaisceau, le faisceau laser présente l'avantage d'un point focal fin, d'un coût réduit et d'une grande précision de direction. Il permet une fusion instantanée des matériaux métalliques et répond aux exigences de recouvrement des canaux de fusion et de mise en forme des pièces.

Principes de base de l'impression 3D laser

Les lasers utilisés en impression 3D laser comprennent les lasers à fibre, les lasers à semi-conducteurs, les lasers Nd:YAG et les lasers CO2. L'absorption des lasers varie selon la longueur d'onde et le matériau. Généralement, les lasers CO2 sont utilisés pour imprimer des polymères, tandis que les lasers à fibre sont utilisés pour imprimer des poudres métalliques.

Selon les différentes méthodes de traitement, la fabrication additive laser peut être divisée en frittage laser sélectif, fusion laser sélective, frittage laser direct de métal, dépôt de poudre laser, dépôt direct de métal, etc. Parmi elles, la fusion laser sélective (SLM) est l'une des technologies d'impression 3D laser métal les plus utilisées.

La structure de base du dispositif d'impression par fusion laser sélective (SLM) est illustrée sur la figure. Avant l'impression, le modèle 3D doit être stratifié, puis la trajectoire de balayage doit être définie. La première étape consiste à racler uniformément la surface de travail à l'aide d'un racleur et à y étaler une couche de poudre. La deuxième étape consiste à balayer cette couche de poudre avec un laser selon une trajectoire précise afin de la faire fondre et d'imprimer une nouvelle couche. La troisième étape consiste à abaisser la surface de travail d'une couche, puis à répéter l'opération précédente pour empiler les couches d'impression de bas en haut, formant ainsi la pièce 3D à imprimer. Afin d'éviter l'oxydation, la chambre de travail doit être mise sous vide et remplie de gaz inerte pendant toute la durée du processus.

La demande de lasers dans l'impression 3D laser
La demande en lasers pour l'impression 3D laser se reflète principalement sous deux aspects : d'une part, la puissance et la stabilité de la puissance, et d'autre part, la qualité du faisceau et la taille du point.

01 Puissance et stabilité de l'alimentation

Le procédé d'impression 3D repose principalement sur l'effet thermique du laser. L'intensité du laser doit dépasser un certain seuil d'énergie pour faire fondre le matériau. Par conséquent, l'accent est mis sur la puissance de sortie moyenne du laser, et non sur son mode d'impulsion. C'est pourquoi on utilise généralement des lasers à fibre continue, dont la puissance se situe approximativement entre 100 W et 1 000 W.
Plus le modèle est grand et comporte de couches, plus le temps d'impression est long. Sa durée varie généralement de quelques heures à plusieurs dizaines d'heures. Par conséquent, la stabilité du fonctionnement du laser sur le long terme est primordiale. Une température trop élevée peut entraîner une surchauffe de la poudre métallique, voire la refusion d'autres pièces. À l'inverse, une température trop basse ne permet pas une fusion complète de la poudre métallique, une force de liaison insuffisante et une déformation de la pièce. La stabilité de la puissance du laser est donc essentielle à la qualité d'impression.

02 Qualité du faisceau et taille du spot

La qualité du faisceau et sa taille sont des paramètres clés qui déterminent la précision d'impression. L'impression 3D repose sur le balayage par faisceau laser. Plus le point laser est petit, plus la précision de balayage est élevée, plus la résolution du modèle imprimé est grande et plus la surface de la pièce imprimée est fine.
La qualité du faisceau est généralement caractérisée par le BPP ou le M2. Plus M2 est proche de 1, meilleure est la qualité du faisceau, plus l'énergie laser est concentrée et plus l'effet thermique sur la zone environnante est faible ; parallèlement, meilleure est la qualité du faisceau, plus l'angle de divergence correspondant est faible et plus le point focal est petit.

03 Exploration de GW Laser Tech et FASTFORM dans le domaine de l'impression 3D
GW Laser Tech, leader mondial des lasers à fibre haute brillance, a également exploré activement ce domaine d'application avec l'essor de Technologie d'impression 3Det a lancé un laser à fibre continue monomode 10μm/14μm de 500 W destiné aux applications d'impression 3D, ciblant les dispositifs médicaux, les pièces automobiles, l'aérospatiale et d'autres domaines.

Parmi ces paramètres, les différents diamètres de cœur (10 μm et 14 μm) déterminent la taille du spot, qui influe principalement sur la densité de puissance laser, c'est-à-dire la quantité d'énergie lumineuse par unité de surface. À puissance égale, plus le spot est petit, plus la densité de puissance laser est élevée. Les spots à haute densité de puissance sont adaptés à l'impression de poudres métalliques à point de fusion élevé ou à forte réflectivité.

Avantages du produit :

➢ Conception ultra-mince et légère, format 19 pouces 1,5U, poids

➢ La structure du produit adopte une conception fermée, destinée à l'environnement d'impression 3D, améliorant considérablement la fiabilité globale du laser, le niveau de protection IP65 et peut fonctionner en continu dans des environnements difficiles tels que des températures élevées, une humidité élevée et une forte concentration de poussière.

➢ La puissance maximale est de 500 W, ce qui est suffisant pour former des matériaux métalliques courants tels que l'acier inoxydable austénitique, l'acier inoxydable martensitique, l'alliage de titane, l'alliage haute température à base de nickel, l'alliage d'aluminium, l'alliage de magnésium, etc.

➢ Bonne stabilité de l'alimentation, fluctuation par heure

➢ Bonne qualité de faisceau, M2

FASTFORM est une entreprise spécialisée dans la recherche et le développement de technologies et d'équipements d'impression 3D. Nous proposons des services de prototypage rapide de haute qualité et des solutions d'assistance complètes. En étroite collaboration avec Guanghui Laser, nous mènerons prochainement des expériences et des recherches sur l'impression 3D de pièces clés pour les secteurs de l'aérospatiale, de la modélisation automobile, de la biomédecine, etc. Notre gamme comprend les imprimantes 3D suivantes : FF-M140 (laser unique), FF-M150 (modèles pédagogiques), FF-M180D (double laser pour applications dentaires), FF-M300H (laser haute puissance 1000 W pour applications industrielles), FF-M500 (double laser) et FF-M800 (quatre lasers). Tous nos produits sont fabriqués en série et nous proposons des solutions de localisation personnalisées. Nous avons développé FastLayer, un logiciel de découpe multi-lasers et de génération de trajectoires. Nos équipements sont entièrement automatisés et fonctionnent sans surveillance.

Ce produit présente les avantages significatifs suivants :

➢ Technologie d'épandage de poudre bidirectionnelle et à vitesse variable, taux d'utilisation de la poudre élevé.

➢ Logiciel développé indépendamment pour effectuer le découpage automatique et la planification de trajectoire en un seul clic.

➢ Livré avec sa propre caméra, permettant un contrôle entièrement automatique et un fonctionnement à distance sans surveillance.

➢ L'équipement adopte une structure soudée intégrée, ce qui le rend très stable et facile à installer.

État actuel et perspectives de développement de l'industrie de l'impression 3D
L'impression 3D est aujourd'hui entrée dans l'ère du prototypage rapide. Selon les statistiques de l'Institut chinois de recherche sur l'industrie et les entreprises, le secteur des machines représentait la plus grande part des applications en aval en 2021, atteignant 17,5 %, suivi par l'électronique grand public (16,6 %) et l'automobile (16,1 %). Avec le développement rapide de l'électronique grand public et de l'automobile, les applications de l'impression 3D dans ces deux secteurs devraient encore s'étendre.

En termes d'échelle industrielle, selon les prévisions de China Investment Network : le taux de croissance annuel composé moyen de l'impression 3D de 2021 à 2025 sera d'environ 26,59 %, et il atteindra 70,1 milliards de yuans en 2025.

L'impression 3D englobe trois aspects : les équipements, les matériaux et les services, les équipements d'impression représentant la part la plus importante. Selon les données publiées par la CCID, le marché chinois des équipements d'impression 3D représentait 9,254 milliards de yuans en 2020, soit la part la plus importante.

Actuellement, le prix des équipements d'impression 3D reste relativement élevé. Cela s'explique d'une part par les brevets et les monopoles étrangers, et d'autre part par le démarrage tardif de l'industrie 3D en Chine, la faible demande et le faible degré d'autonomie du secteur. Avec la modernisation et le développement de l'industrie manufacturière de pointe chinoise, les progrès technologiques et la baisse des coûts, l'industrie chinoise de l'impression 3D devrait se localiser de plus en plus à l'avenir. Une étroite collaboration entre les fabricants d'équipements est essentielle pour favoriser le développement à grande échelle de la technologie d'impression 3D.

Guanghui Laser se concentre non seulement sur la recherche et l'innovation en matière de technologies laser, mais poursuit également ses recherches dans le domaine des technologies de traitement laser et s'engage à aider ses clients à résoudre leurs problèmes d'application. En tant que fabricant leader d'équipements d'impression 3D en Chine, FASTFORM maîtrise tous les aspects de l'impression 3D et dispose d'une équipe de consultants expérimentés pour fournir à ses clients des produits professionnels haut de gamme dans ce domaine. À l'avenir, Guanghui Laser collaborera avec FASTFORM pour promouvoir l'application et le développement de la technologie d'impression 3D laser en Chine et contribuer à la modernisation du secteur. Source : Guanghui Laser. Auteur : Gu Jiaxing, ingénieur d'application.