Istraživanje primjene vlaknastog lasera u 3D printanju metala

The Aditivi ManuProces proizvodnje (3D ispis) metalnih materijala vrlo je tražen u područjima zrakoplovstva, zrakoplovstva, navigacije, vozila, proizvodnje kalupa, medicinske opreme itd. Trenutno, izvori topline koji se koriste u procesu aditivne proizvodnje metala uključuju tri visokoenergetske zrake, i to lasersku zraku, elektronsku zraku i mikro-snopnu plazmu, kao i unos topline sinteriranja. Među njima, laserska zraka je najčešće korišteni visokoenergetski izvor topline u području aditivne proizvodnje metala. U usporedbi s izvorima topline elektronske zrake i mikro-snopa plazme, laserska zraka ima prednosti fine točke, niske cijene i može se usmjeriti na određeni položaj materijala. Može postići trenutno taljenje metalnih materijala i zadovoljiti zahtjeve preklapanja kanala taline i oblikovanja dijelova.

Osnovni principi laserskog 3D ispisa

Laseri koji se koriste u laserskom 3D ispisu uključuju vlaknaste lasere, poluvodičke lasere, Nd:YAG lasere i CO2 lasere. Različiti materijali različito apsorbiraju lasere različitih valnih duljina. Obično se CO2 laseri koriste za ispis polimera, dok se vlaknasti laseri koriste za ispis metalnih prahova.

Prema različitim metodama obrade, laserska aditivna proizvodnja može se podijeliti na selektivno lasersko sinteriranje, selektivno lasersko taljenje, izravno sinteriranje metala laserom, lasersko taloženje praha, izravno taloženje metala itd. Među njima, selektivno lasersko taljenje (SLM) jedna je od najčešće korištenih tehnologija 3D laserskog ispisa metala.

Osnovna struktura uređaja za selektivno lasersko taljenje (SLM) prikazana je na slici. Prije ispisa, 3D model mora biti slojevit, a zatim se mora odrediti putanja skeniranja. Prvi korak je ravnomjerno struganje radne površine strugačem i nanošenje sloja praha na nju; drugi korak je skeniranje određene putanje na ovom sloju praha laserom kako bi se on otopio i isprintao sloj; treći korak je pomicanje radne površine za jedan sloj prema dolje, a zatim ponavljanje gornje operacije kako bi se slojevi ispisa slagali od dna prema vrhu, čime se formira 3D dio koji se ispisuje. Kako bi se spriječila oksidacija, radna komora mora biti evakuirana i ispunjena inertnim plinom tijekom cijelog procesa.

Potražnja za laserima u laserskom 3D ispisu
Potražnja za laserima u laserskom 3D ispisu uglavnom se ogleda u dva aspekta: s jedne strane, snaga i stabilnost snage, a s druge strane, kvaliteta snopa i veličina točke.

01 Snaga i stabilnost snage

Proces 3D ispisa uglavnom se oslanja na toplinski učinak lasera. Intenzitet lasera mora prijeći određeni energetski prag da bi se materijal rastopio. Stoga se više pažnje posvećuje prosječnoj izlaznoj snazi ​​lasera i nije osjetljiv na pulsni način rada lasera. Stoga se obično koriste kontinuirani vlaknasti laseri, a snaga je otprilike raspoređena između 100 W i 1000 W.
Što je model veći i što je više slojeva, to je vrijeme ispisa dulje. Trajanje je općenito od nekoliko sati do desetaka sati. Stoga se postavljaju visoki zahtjevi za dugoročni stabilan rad lasera. Ako je temperatura previsoka, metalni prah može pregorjeti i čak uzrokovati ponovno taljenje drugih oblikovanih dijelova; ako je temperatura preniska, metalni prah se ne rastopi u potpunosti, sila vezivanja je nedovoljna i oblik oblikovanog dijela možda se neće održati. Stoga je stabilnost snage lasera ključna za kvalitetu ispisa.

02 Kvaliteta snopa i veličina točke

Kvaliteta snopa i veličina točke jedni su od ključnih parametara koji odražavaju točnost ispisa. 3D ispis se izvodi skeniranjem laserskom zrakom. Što je laserska točka manja, to je veća točnost skeniranja, veća je rezolucija ispisanog modela i osjetljivija je površina ispisanog dijela.
Kvaliteta snopa obično se karakterizira s BPP ili M2. Što je M2 bliži 1, to je kvaliteta snopa bolja, laserska energija koncentriranija i manji je toplinski učinak na okolno područje; istovremeno, što je kvaliteta snopa bolja, to je odgovarajući kut divergencije manji i fokusirana točka će biti manja.

03 GW Laser Tech i FASTFORM-ovo istraživanje u području 3D ispisa
GW Laser Tech, kao svjetski lider u proizvodnji vlaknastih lasera visokog sjaja, također je aktivno istraživao ovo područje primjene s porastom Tehnologija 3D ispisa, i lansirao je 500W jednomodni 10μm/14μm kontinuirani vlaknasti laser za 3D ispis, namijenjen medicinskim uređajima, automobilskim dijelovima, zrakoplovstvu i drugim područjima.

Među njima, različiti promjeri jezgre od 10 μm i 14 μm određuju veličinu točke, koja uglavnom utječe na gustoću laserske snage, odnosno količinu svjetlosne energije po jedinici površine. Pod istim uvjetima snage, što je manja veličina točke, to je veća gustoća laserske snage. Točke visoke gustoće snage prikladne su za ispis metalnih prahova s ​​visokim talištem ili visokim refleksijama.

Prednosti proizvoda:

➢ Ultratanki i lagani dizajn, visina od 19 inča (1,5 U), težina

➢ Struktura proizvoda ima zatvoreni dizajn, namijenjen 3D printanju, što uvelike poboljšava ukupnu pouzdanost lasera, razinu zaštite IP65 i omogućuje kontinuirani rad u teškim uvjetima poput visoke temperature, visoke vlažnosti i visoke prašine.

➢ Maksimalna snaga je 500 W, što je dovoljno za oblikovanje uobičajenih metalnih materijala kao što su austenitni nehrđajući čelik, martenzitni nehrđajući čelik, legura titana, legura na bazi nikla otporna na visoke temperature, aluminijska legura, legura magnezija itd.

➢ Dobra stabilnost napajanja, fluktuacija po satu

➢ Dobra kvaliteta snopa, M2

FASTFORM (FastForm) je tvrtka specijalizirana za istraživanje i razvoj tehnologije i opreme za 3D ispis te može pružiti vrhunske usluge brze izrade prototipa i prateća rješenja. Uspostavili smo dubinsku suradnju s tvrtkom Guanghui Laser i u budućnosti ćemo provoditi eksperimente i istraživanja 3D ispisa na ključnim dijelovima u područjima zrakoplovstva, automobilskih modela, biomedicine itd. Lansirali smo FF-M140 proizvode s jednim laserom, FF-M150 modele specifične za nastavu, FF-M180D modele s dvostrukim laserom specifične za stomatologiju, FF-M300H industrijske modele lasera velike snage 1000 W, FF-M500 modele s dvostrukim laserom i FF-M800 proizvode s četiri lasera, a svi su masovno proizvedeni i podržavaju prilagođena rješenja za lokalizaciju. Neovisno smo razvili FastLayer, softver za rezanje i generiranje putanja s više lasera. Oprema je potpuno automatska i bez nadzora.

Ovaj proizvod ima sljedeće značajne prednosti:

➢ Tehnologija dvosmjernog i promjenjivog nanošenja praha, visoka stopa iskorištenja praha.

➢ Neovisno razvijen softver za automatsko rezanje i planiranje puta jednim klikom.

➢ Dolazi s vlastitom kamerom koja može ostvariti potpuno automatsko upravljanje i rad bez nadzora na daljinu.

➢ Oprema ima integriranu strukturu za zavarivanje koja je vrlo stabilna i jednostavna za ugradnju.

Trenutno stanje i perspektive razvoja industrije 3D ispisa
Trenutno je 3D ispis ušao u eru brze izrade prototipa. Prema statistikama Kineskog instituta za istraživanje poslovne industrije, strojogradnja čini najveći udio nizvodnih područja primjene u 2021. godini, dosegnuvši 17,5%, a slijede je potrošačka elektronika (16,6%) i automobili (16,1%). S brzim razvojem potrošačke elektronike i automobilske industrije, područja primjene 3D ispisa u ova dva područja dodatno će se proširiti u budućnosti.

Što se tiče opsega industrije, prema prognozi China Investment Networka: prosječna godišnja složena stopa rasta 3D ispisa od 2021. do 2025. iznosit će oko 26,59%, a 2025. će dosegnuti 70,1 milijardi juana.

3D ispis obuhvaća tri aspekta: opremu, materijale i usluge, među kojima oprema za ispis čini najveći udio. Prema podacima koje je objavio CCID, opseg kineske industrije opreme za 3D ispis u 2020. godini iznosio je 9,254 milijarde juana, što čini najveći udio.

Trenutno je cijena opreme za 3D ispis još uvijek relativno visoka. S jedne strane, to je zbog stranih patenata i monopola. S druge strane, to je zato što je 3D industrija u mojoj zemlji kasno započela, potražnja je mala, a stupanj autonomije nizak. S modernizacijom i razvojem vrhunske proizvodne industrije u mojoj zemlji, razvojem tehnologije i smanjenjem troškova, industrija 3D ispisa u mojoj zemlji pokazat će trend sve veće lokalizacije u budućnosti. Bliska suradnja između proizvođača opreme ključna je za promicanje razvoja tehnologije 3D ispisa velikih razmjera.

Guanghui Laser se ne fokusira samo na istraživanje i inovacije tehnologije laserskih proizvoda, već i nastavlja istraživati ​​područje tehnologije laserske obrade te je posvećen pomaganju kupcima u rješavanju problema s primjenom. Kao vodeći domaći proizvođač opreme za 3D ispis, FASTFORM je upoznat sa svim aspektima 3D ispisa i ima iskusan konzultantski tim koji kupcima pruža profesionalne vrhunske proizvode u području 3D ispisa. U budućnosti će Guanghui Laser surađivati ​​s FASTFORM-om kako bi promovirao primjenu i razvoj tehnologije laserskog 3D ispisa u Kini i pomogao u unapređenju industrije. Izvor: Guanghui Laser Autor: Inženjer primjene Gu Jiaxing