धातु 3डी प्रिंटिंग में फाइबर लेजर के अनुप्रयोग का अन्वेषण

एडिटिव मनुविमानन, अंतरिक्ष, नौवहन, वाहन, मोल्ड निर्माण, चिकित्सा उपकरण आदि क्षेत्रों में धातु सामग्री के निर्माण (3डी प्रिंटिंग) की अत्यधिक मांग है। वर्तमान में, धातु एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग प्रक्रिया में उपयोग किए जाने वाले ऊष्मा स्रोतों में तीन उच्च-ऊर्जा किरणें शामिल हैं, अर्थात् लेजर किरण, इलेक्ट्रॉन किरण और माइक्रो-बीम प्लाज्मा, साथ ही सिंटरिंग ऊष्मा इनपुट। इनमें से, लेजर किरण धातु एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग के क्षेत्र में सबसे व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली उच्च-ऊर्जा किरण ऊष्मा स्रोत है। इलेक्ट्रॉन किरण और माइक्रो-बीम प्लाज्मा ऊष्मा स्रोतों की तुलना में, लेजर किरण में महीन बिंदु, कम लागत और निर्दिष्ट सामग्री स्थान पर निर्देशित किए जाने के लाभ हैं। यह धातु सामग्री के त्वरित पिघलने को प्राप्त कर सकता है और पिघल चैनल ओवरलैप और भाग निर्माण की आवश्यकताओं को पूरा कर सकता है।

लेजर 3डी प्रिंटिंग के बुनियादी सिद्धांत

लेजर 3डी प्रिंटिंग में उपयोग होने वाले लेजरों में फाइबर लेजर, सेमीकंडक्टर लेजर, Nd:YAG लेजर और CO2 लेजर शामिल हैं। विभिन्न पदार्थ अलग-अलग तरंग दैर्ध्य के लेजरों को अलग-अलग तरीके से अवशोषित करते हैं। आमतौर पर, CO2 लेजर का उपयोग पॉलिमर को प्रिंट करने के लिए किया जाता है, जबकि फाइबर लेजर का उपयोग धातु पाउडर को प्रिंट करने के लिए किया जाता है।

विभिन्न प्रसंस्करण विधियों के अनुसार, लेजर एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग को सेलेक्टिव लेजर सिंटरिंग, सेलेक्टिव लेजर मेल्टिंग, डायरेक्ट मेटल लेजर सिंटरिंग, लेजर पाउडर डिपोजिशन, डायरेक्ट मेटल डिपोजिशन आदि में विभाजित किया जा सकता है। इनमें से, सेलेक्टिव लेजर मेल्टिंग (एसएलएम) सबसे व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली मेटल लेजर 3डी प्रिंटिंग तकनीकों में से एक है।

चित्र में सेलेक्टिव लेजर मेल्टिंग (एसएलएम) प्रिंटिंग डिवाइस की मूल संरचना दिखाई गई है। प्रिंटिंग से पहले, 3डी मॉडल को लेयर में विभाजित करना आवश्यक है और फिर स्कैनिंग पथ निर्धारित करना होता है। पहला चरण है वर्कबेंच को स्क्रैपर से समान रूप से साफ करना और उस पर पाउडर की एक परत फैलाना; दूसरा चरण है इस पाउडर की परत पर लेजर द्वारा एक विशिष्ट पथ पर स्कैन करके इसे पिघलाना और एक परत प्रिंट करना; तीसरा चरण है वर्कबेंच को एक परत नीचे खिसकाना, और फिर प्रिंटिंग परतों को नीचे से ऊपर की ओर स्टैक करने के लिए उपरोक्त प्रक्रिया को दोहराना, जिससे प्रिंट किए जाने वाले 3डी भाग का निर्माण होता है। ऑक्सीकरण को रोकने के लिए, पूरी प्रक्रिया के दौरान वर्किंग चैंबर को खाली करके उसमें अक्रिय गैस भरनी आवश्यक है।

लेजर 3डी प्रिंटिंग में लेजर की मांग
लेजर 3डी प्रिंटिंग में लेजर की मांग मुख्य रूप से दो पहलुओं में परिलक्षित होती है: एक ओर, शक्ति और शक्ति स्थिरता, और दूसरी ओर, बीम की गुणवत्ता और स्पॉट का आकार।

01 शक्ति और शक्ति स्थिरता

3D प्रिंटिंग प्रक्रिया मुख्य रूप से लेजर के तापीय प्रभाव पर निर्भर करती है। सामग्री को पिघलाने के लिए लेजर की तीव्रता एक निश्चित ऊर्जा सीमा से अधिक होनी चाहिए। इसलिए, लेजर की औसत आउटपुट शक्ति पर अधिक ध्यान दिया जाता है और यह लेजर के पल्स मोड के प्रति संवेदनशील नहीं होती है। अतः, आमतौर पर निरंतर फाइबर लेजर का उपयोग किया जाता है, जिसकी शक्ति लगभग 100W से 1000W के बीच होती है।
मॉडल जितना बड़ा होगा और परतों की संख्या जितनी अधिक होगी, प्रिंटिंग का समय उतना ही अधिक होगा। यह समय आमतौर पर कुछ घंटों से लेकर दर्जनों घंटों तक हो सकता है। इसलिए, लेजर के दीर्घकालिक स्थिर संचालन पर उच्च आवश्यकताएं होती हैं। यदि तापमान बहुत अधिक हो जाता है, तो धातु का पाउडर अत्यधिक जल सकता है और यहां तक ​​कि अन्य निर्मित भागों को भी पिघला सकता है; यदि तापमान बहुत कम हो जाता है, तो धातु का पाउडर पूरी तरह से नहीं पिघलता, बंधन बल अपर्याप्त होता है, और निर्मित घटक का आकार बरकरार नहीं रह पाता है। इसलिए, लेजर की विद्युत स्थिरता प्रिंटिंग की गुणवत्ता के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है।

02 बीम की गुणवत्ता और स्पॉट का आकार

बीम की गुणवत्ता और स्पॉट का आकार प्रिंटिंग की सटीकता को दर्शाने वाले प्रमुख मापदंडों में से एक हैं। 3डी प्रिंटिंग लेजर बीम स्कैनिंग द्वारा की जाती है। लेजर स्पॉट जितना छोटा होगा, स्कैनिंग की सटीकता उतनी ही अधिक होगी, प्रिंट किए गए मॉडल का रिज़ॉल्यूशन उतना ही अधिक होगा और प्रिंट किए गए भाग की सतह उतनी ही सूक्ष्म होगी।
बीम की गुणवत्ता को आमतौर पर BPP या M2 द्वारा दर्शाया जाता है। M2 जितना 1 के करीब होगा, बीम की गुणवत्ता उतनी ही बेहतर होगी, लेजर ऊर्जा उतनी ही केंद्रित होगी और आसपास के क्षेत्र पर ऊष्मा का प्रभाव उतना ही कम होगा; साथ ही, बीम की गुणवत्ता जितनी बेहतर होगी, विचलन कोण उतना ही छोटा होगा और केंद्रित बिंदु उतना ही छोटा होगा।

03 GW लेजर टेक और फास्टफॉर्म द्वारा 3D प्रिंटिंग के क्षेत्र में किया गया अन्वेषण
उच्च-चमकदार फाइबर लेजरों में विश्व की अग्रणी कंपनी के रूप में, GW लेजर टेक ने भी इस अनुप्रयोग क्षेत्र में सक्रिय रूप से प्रगति की है। 3डी प्रिंटिंग तकनीकऔर इसने 3डी प्रिंटिंग अनुप्रयोगों के लिए 500W सिंगल-मोड 10μm/14μm निरंतर फाइबर लेजर लॉन्च किया, जिसका लक्ष्य चिकित्सा उपकरण, ऑटोमोटिव पार्ट्स, एयरोस्पेस और अन्य क्षेत्र हैं।

इनमें से, 10μm और 14μm के अलग-अलग कोर व्यास स्पॉट के आकार को निर्धारित करते हैं, जो मुख्य रूप से लेजर पावर घनत्व को प्रभावित करता है, यानी प्रति इकाई क्षेत्रफल में प्रकाश ऊर्जा की मात्रा। समान पावर स्थितियों में, स्पॉट का आकार जितना छोटा होगा, लेजर पावर घनत्व उतना ही अधिक होगा। उच्च पावर घनत्व वाले स्पॉट उच्च गलनांक या उच्च परावर्तन वाले धातु पाउडर की छपाई के लिए उपयुक्त होते हैं।

उत्पाद के लाभ:

➢ अति पतला और हल्का डिज़ाइन, 19 इंच 1.5U ऊंचाई वाला डिज़ाइन, वजन

➢ उत्पाद की संरचना बंद डिजाइन को अपनाती है, जिसे 3डी प्रिंटिंग वातावरण को ध्यान में रखकर बनाया गया है, जिससे लेजर की समग्र विश्वसनीयता में काफी सुधार होता है, इसमें IP65 सुरक्षा स्तर है, और यह उच्च तापमान, उच्च आर्द्रता और उच्च धूल जैसे कठोर वातावरण में लगातार काम कर सकता है।

➢ इसकी अधिकतम शक्ति 500W है, जो ऑस्टेनिटिक स्टेनलेस स्टील, मार्टेंसिटिक स्टेनलेस स्टील, टाइटेनियम मिश्र धातु, निकल आधारित उच्च तापमान मिश्र धातु, एल्यूमीनियम मिश्र धातु, मैग्नीशियम मिश्र धातु आदि जैसी सामान्य धातु सामग्री बनाने के लिए पर्याप्त है।

➢ बेहतर बिजली स्थिरता, प्रति घंटे उतार-चढ़ाव

➢ अच्छी बीम गुणवत्ता, M2

फास्टफॉर्म (FastForm) 3D प्रिंटिंग तकनीक और उपकरणों के अनुसंधान एवं विकास में विशेषज्ञता रखने वाली कंपनी है, जो उच्च स्तरीय रैपिड प्रोटोटाइपिंग सेवाएं और सहायक समाधान प्रदान करती है। हमने गुआंगहुई लेजर के साथ गहन सहयोग स्थापित किया है और भविष्य में एयरोस्पेस, ऑटोमोबाइल मॉडल, बायोमेडिसिन आदि क्षेत्रों में प्रमुख भागों पर 3D प्रिंटिंग प्रयोग और अनुसंधान करेंगे। हमने FF-M140 सिंगल लेजर उत्पाद, FF-M150 शिक्षण-विशिष्ट मॉडल, FF-M180D ड्यूल लेजर दंत चिकित्सा-विशिष्ट मॉडल, FF-M300H 1000W उच्च-शक्ति लेजर औद्योगिक मॉडल, FF-M500 ड्यूल लेजर मॉडल और FF-M800 चार लेजर उत्पाद लॉन्च किए हैं, जिनका बड़े पैमाने पर उत्पादन हो रहा है और ये अनुकूलित स्थानीयकरण समाधानों का समर्थन करते हैं। हमने स्वतंत्र रूप से FastLayer नामक एक मल्टी-लेजर स्लाइसिंग और पाथ जनरेशन सॉफ्टवेयर विकसित किया है। उपकरण पूरी तरह से स्वचालित और मानवरहित है।

इस उत्पाद के निम्नलिखित महत्वपूर्ण लाभ हैं:

➢ द्विदिशात्मक और परिवर्तनीय गति वाली पाउडर फैलाने की तकनीक, उच्च पाउडर उपयोग दर।

➢ एक क्लिक में स्वचालित स्लाइसिंग और पाथ प्लानिंग को पूरा करने के लिए स्वतंत्र रूप से विकसित सॉफ्टवेयर।

➢ इसमें अपना खुद का कैमरा लगा हुआ है, जिससे पूरी तरह से स्वचालित नियंत्रण और दूरस्थ रूप से बिना किसी की देखरेख के संचालन संभव हो पाता है।

➢ इस उपकरण में एकीकृत वेल्डिंग संरचना का उपयोग किया गया है, जो इसे अत्यधिक स्थिर और स्थापित करने में आसान बनाती है।

3डी प्रिंटिंग उद्योग की वर्तमान स्थिति और विकास की संभावनाएं
वर्तमान में, 3D प्रिंटिंग तीव्र प्रोटोटाइपिंग के युग में प्रवेश कर चुकी है। चीन व्यापार उद्योग अनुसंधान संस्थान के आंकड़ों के अनुसार, 2021 में मशीनरी उद्योग का डाउनस्ट्रीम अनुप्रयोग क्षेत्रों में सबसे बड़ा हिस्सा था, जो 17.5% तक पहुंच गया, इसके बाद उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स (16.6%) और ऑटोमोबाइल (16.1%) का स्थान रहा। उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स और ऑटोमोटिव उद्योग के तीव्र विकास के साथ, भविष्य में इन दोनों क्षेत्रों में 3D प्रिंटिंग के अनुप्रयोग क्षेत्र और भी विस्तारित होंगे।

उद्योग के पैमाने के संदर्भ में, चाइना इन्वेस्टमेंट नेटवर्क के पूर्वानुमान के अनुसार: 2021 से 2025 तक 3डी प्रिंटिंग की औसत वार्षिक चक्रवृद्धि वृद्धि दर लगभग 26.59% होगी, और यह 2025 में 70.1 बिलियन युआन तक पहुंच जाएगी।

3डी प्रिंटिंग में तीन पहलू शामिल हैं: उपकरण, सामग्री और सेवाएं, जिनमें से प्रिंटिंग उपकरणों का हिस्सा सबसे बड़ा है। सीसीआईडी ​​द्वारा जारी आंकड़ों के अनुसार, 2020 में चीन के 3डी प्रिंटिंग उपकरण उद्योग का आकार 9.254 बिलियन युआन था, जो कि सबसे बड़ा हिस्सा है।

वर्तमान में, 3D प्रिंटिंग उपकरणों की कीमत अपेक्षाकृत अधिक है। एक ओर, इसका कारण विदेशी पेटेंट और एकाधिकार हैं। दूसरी ओर, इसका कारण यह है कि हमारे देश में 3D उद्योग की शुरुआत देर से हुई है, मांग कम है और आत्मनिर्भरता का स्तर भी सीमित है। हमारे देश के उच्च स्तरीय विनिर्माण उद्योग के उन्नयन और विकास, प्रौद्योगिकी के विकास और लागत में कमी के साथ, हमारे देश का 3D प्रिंटिंग उद्योग भविष्य में स्थानीयकरण की ओर अग्रसर होगा। 3D प्रिंटिंग प्रौद्योगिकी के व्यापक विकास को बढ़ावा देने के लिए उपकरण निर्माताओं के बीच घनिष्ठ सहयोग अत्यंत महत्वपूर्ण है।

गुआंगहुई लेज़र न केवल लेज़र उत्पाद प्रौद्योगिकी के अनुसंधान और नवाचार पर ध्यान केंद्रित करता है, बल्कि लेज़र प्रसंस्करण प्रौद्योगिकी के क्षेत्र में भी निरंतर खोज करता रहता है और ग्राहकों को अनुप्रयोग संबंधी समस्याओं को हल करने में सहायता करने के लिए प्रतिबद्ध है। घरेलू स्तर पर अग्रणी 3डी प्रिंटिंग उपकरण निर्माता के रूप में, फास्टफॉर्म 3डी प्रिंटिंग के सभी पहलुओं से परिचित है और उसके पास एक अनुभवी परामर्श टीम है जो ग्राहकों को 3डी प्रिंटिंग के क्षेत्र में पेशेवर उच्च-स्तरीय उत्पाद प्रदान करती है। भविष्य में, गुआंगहुई लेज़र, फास्टफॉर्म के साथ मिलकर चीन में लेज़र 3डी प्रिंटिंग प्रौद्योगिकी के अनुप्रयोग और विकास को बढ़ावा देगा और उद्योग को उन्नत बनाने में मदद करेगा। स्रोत: गुआंगहुई लेज़र, लेखक: एप्लीकेशन इंजीनियर गु जियाक्सिंग