Esplorazione dell'applicazione del laser a fibra nella stampa 3D di metalli.

IL Produzione di additiviLa fabbricazione (stampa 3D) di materiali metallici è molto richiesta nei settori dell'aviazione, dell'aerospazio, della navigazione, dei veicoli, della produzione di stampi, delle apparecchiature mediche, ecc. Attualmente, le fonti di calore utilizzate nel processo di produzione additiva di metalli includono tre fasci ad alta energia, ovvero il raggio laser, il fascio di elettroni e il plasma a microfascio, oltre al calore di sinterizzazione. Tra questi, il raggio laser è la fonte di calore ad alta energia più utilizzata nel campo della produzione additiva di metalli. Rispetto al fascio di elettroni e al plasma a microfascio, il raggio laser presenta i vantaggi di un punto focale preciso, un costo contenuto e la possibilità di essere direzionato verso la posizione specifica del materiale. Consente la fusione istantanea dei materiali metallici e soddisfa i requisiti di sovrapposizione del canale di fusione e di formatura dei pezzi.

Principi di base della stampa 3D laser

I laser utilizzati nella stampa 3D laser includono laser a fibra, laser a semiconduttore, laser Nd:YAG e laser a CO2. Materiali diversi assorbono i laser di diverse lunghezze d'onda in modo differente. Solitamente, i laser a CO2 vengono utilizzati per stampare polimeri, mentre i laser a fibra sono utilizzati per stampare polveri metalliche.

In base ai diversi metodi di lavorazione, la produzione additiva laser può essere suddivisa in sinterizzazione laser selettiva, fusione laser selettiva, sinterizzazione laser diretta dei metalli, deposizione laser di polveri, deposizione diretta di metalli, ecc. Tra queste, la fusione laser selettiva (SLM) è una delle tecnologie di stampa 3D laser dei metalli più diffuse.

La struttura di base del dispositivo di stampa a fusione laser selettiva (SLM) è mostrata in figura. Prima della stampa, il modello 3D deve essere stratificato e successivamente deve essere determinata la traiettoria di scansione. Il primo passaggio consiste nel raschiare uniformemente il piano di lavoro con una spatola e stendervi uno strato di polvere; il secondo passaggio consiste nel scansionare una traiettoria specifica su questo strato di polvere con un laser per fonderlo e stampare uno strato; il terzo passaggio consiste nell'abbassare il piano di lavoro di uno strato e quindi ripetere l'operazione precedente per sovrapporre gli strati di stampa dal basso verso l'alto, formando così il pezzo 3D da stampare. Per prevenire l'ossidazione, la camera di lavoro deve essere evacuata e riempita con gas inerte durante l'intero processo.

La domanda di laser nella stampa 3D laser
La domanda di laser nella stampa 3D laser si riflette principalmente in due aspetti: da un lato, potenza e stabilità della potenza, e dall'altro, qualità del fascio e dimensione dello spot.

01 Potenza e stabilità della potenza

Il processo di stampa 3D si basa principalmente sull'effetto termico del laser. L'intensità del laser deve superare una certa soglia energetica per fondere il materiale. Pertanto, è più importante considerare la potenza media di uscita del laser, mentre la modalità a impulsi non è un fattore determinante. Di conseguenza, si utilizzano solitamente laser a fibra continua, con una potenza che si aggira tra i 100 W e i 1000 W.
Più grande è il modello e maggiore è il numero di strati, più lungo sarà il tempo di stampa. La durata varia generalmente da poche ore a decine di ore. Pertanto, è fondamentale garantire un funzionamento stabile e duraturo del laser. Se la temperatura è troppo elevata, la polvere metallica potrebbe bruciarsi eccessivamente e persino causare la rifusione di altre parti stampate; se la temperatura è troppo bassa, la polvere metallica non si fonde completamente, la forza di adesione è insufficiente e la forma del componente stampato potrebbe non essere mantenuta. Di conseguenza, la stabilità di potenza del laser è cruciale per la qualità di stampa.

02 Qualità del fascio e dimensione del punto

La qualità del raggio e la dimensione del punto laser sono parametri chiave che influenzano la precisione di stampa. La stampa 3D si basa sulla scansione con un raggio laser. Più piccolo è il punto laser, maggiore è la precisione di scansione, più alta è la risoluzione del modello stampato e più delicata sarà la superficie del pezzo stampato.
La qualità del fascio è generalmente caratterizzata da BPP o M2. Quanto più M2 si avvicina a 1, tanto migliore è la qualità del fascio, tanto più concentrata è l'energia laser e minore è l'effetto termico sull'area circostante; allo stesso tempo, migliore è la qualità del fascio, minore sarà l'angolo di divergenza corrispondente e tanto più piccolo sarà il punto focale.

03 L'esplorazione di GW Laser Tech e FASTFORM nel campo della stampa 3D
GW Laser Tech, in quanto leader mondiale nei laser a fibra ad alta luminosità, ha anche esplorato attivamente questo campo di applicazione con l'ascesa di Tecnologia di stampa 3De ha lanciato un laser a fibra continua monomodale da 500 W da 10 μm/14 μm per applicazioni di stampa 3D, destinato a dispositivi medici, componenti automobilistici, settore aerospaziale e altri campi.

Tra questi, i diversi diametri del nucleo di 10 μm e 14 μm determinano la dimensione dello spot, che influisce principalmente sulla densità di potenza del laser, ovvero sulla quantità di energia luminosa per unità di area. A parità di potenza, minore è la dimensione dello spot, maggiore è la densità di potenza del laser. Gli spot ad alta densità di potenza sono adatti per la stampa di polveri metalliche con punti di fusione elevati o elevata riflettività.

Vantaggi del prodotto:

➢ Design ultrasottile e leggero, formato 1.5U da 19 pollici, peso inferiore a 20 kg, struttura compatta, dimensioni ridotte, peso contenuto, che offre una praticità di integrazione senza pari e una versatilità flessibile.

➢ La struttura del prodotto adotta un design chiuso, pensato per l'ambiente di stampa 3D, migliorando notevolmente l'affidabilità complessiva del laser, con un livello di protezione IP65, e può funzionare ininterrottamente in ambienti difficili come temperature elevate, umidità elevata e polvere elevata.

➢ La potenza massima è di 500 W, sufficiente per formare materiali metallici comuni come acciaio inossidabile austenitico, acciaio inossidabile martensitico, lega di titanio, lega ad alta temperatura a base di nichel, lega di alluminio, lega di magnesio, ecc.

➢ Ottima stabilità di alimentazione, con fluttuazioni orarie inferiori allo 0,5%, che garantiscono la coerenza del processo anche per stampe di lunghissima durata.

➢ Buona qualità del fascio, M2

FASTFORM è un'azienda specializzata nella ricerca e sviluppo di tecnologie e apparecchiature per la stampa 3D, in grado di fornire servizi di prototipazione rapida di alto livello e soluzioni di supporto. Abbiamo instaurato una profonda collaborazione con Guanghui Laser e in futuro condurremo esperimenti e ricerche sulla stampa 3D di componenti chiave nei settori aerospaziale, automobilistico, biomedico, ecc. Abbiamo lanciato sul mercato i prodotti FF-M140 a laser singolo, FF-M150 specifici per la didattica, FF-M180D a doppio laser specifici per il settore dentale, FF-M300H laser industriale ad alta potenza da 1000 W, FF-M500 a doppio laser e FF-M800 a quattro laser, tutti prodotti in serie e per i quali offriamo soluzioni di localizzazione personalizzate. Abbiamo sviluppato autonomamente FastLayer, un software per la generazione di percorsi e lo slicing multilaser. L'apparecchiatura è completamente automatica e non richiede supervisione.

Questo prodotto presenta i seguenti vantaggi significativi:

➢ Tecnologia di spargimento della polvere bidirezionale e a velocità variabile, elevato tasso di utilizzo della polvere.

➢ Software sviluppato in modo indipendente per eseguire automaticamente lo slicing e la pianificazione del percorso con un solo clic.

➢ È dotato di una propria telecamera, che consente il controllo completamente automatico e il funzionamento senza presidio da remoto.

➢ L'apparecchiatura adotta una struttura saldata integrata, che risulta estremamente stabile e facile da installare.

Stato attuale e prospettive di sviluppo del settore della stampa 3D
Attualmente, la stampa 3D è entrata nell'era della prototipazione rapida. Secondo le statistiche del China Business Industry Research Institute, nel 2021 il settore dei macchinari rappresentava la quota maggiore di applicazioni a valle, raggiungendo il 17,5%, seguito dall'elettronica di consumo (16,6%) e dall'industria automobilistica (16,1%). Con il rapido sviluppo dell'elettronica di consumo e dell'industria automobilistica, le aree di applicazione della stampa 3D in questi due settori si espanderanno ulteriormente in futuro.

In termini di dimensioni del settore, secondo le previsioni di China Investment Network: il tasso di crescita annuo composto medio della stampa 3D dal 2021 al 2025 sarà di circa il 26,59%, raggiungendo i 70,1 miliardi di yuan nel 2025.

La stampa 3D comprende tre aspetti: attrezzature, materiali e servizi, tra i quali le attrezzature di stampa rappresentano la quota maggiore. Secondo i dati pubblicati da CCID, nel 2020 il settore cinese delle attrezzature per la stampa 3D ha raggiunto un valore di 9,254 miliardi di yuan, rappresentando la quota maggiore.

Attualmente, il prezzo delle apparecchiature per la stampa 3D è ancora relativamente elevato. Da un lato, ciò è dovuto a brevetti e monopoli esteri. Dall'altro, è anche dovuto al fatto che l'industria 3D del mio Paese è nata tardi, la domanda è limitata e il grado di autonomia è basso. Con l'ammodernamento e lo sviluppo dell'industria manifatturiera di fascia alta del mio Paese, il progresso tecnologico e la riduzione dei costi, l'industria della stampa 3D in Cina mostrerà in futuro una tendenza alla crescente localizzazione. Una stretta collaborazione tra i produttori di apparecchiature è fondamentale per promuovere lo sviluppo su larga scala della tecnologia di stampa 3D.

Guanghui Laser non si concentra solo sulla ricerca e l'innovazione nella tecnologia dei prodotti laser, ma continua anche a esplorare il campo della tecnologia di lavorazione laser, impegnandosi ad aiutare i clienti a risolvere i problemi applicativi. In qualità di produttore leader nazionale di apparecchiature per la stampa 3D, FASTFORM ha familiarità con tutti gli aspetti della stampa 3D e dispone di un team di consulenti esperti in grado di fornire ai clienti prodotti professionali di alta gamma nel settore della stampa 3D. In futuro, Guanghui Laser collaborerà con FASTFORM per promuovere l'applicazione e lo sviluppo della tecnologia di stampa 3D laser in Cina e contribuire all'ammodernamento del settore. Fonte: Guanghui Laser Autore: Ingegnere applicativo Gu Jiaxing