חקירת יישום לייזר סיב בהדפסה תלת-ממדית של מתכת

ה תוספיםתהליך הייצור (הדפסה תלת-ממדית) של חומרי מתכת מבוקש מאוד בתחומי התעופה, החלל, הניווט, כלי הרכב, ייצור תבניות, ציוד רפואי ועוד. כיום, מקורות החום המשמשים בתהליך ייצור תוסף מתכת כוללים שלוש אלומות בעלות אנרגיה גבוהה, כלומר קרן לייזר, קרן אלקטרונים ופלזמה מיקרו-קרן, כמו גם קלט חום סינטור. ביניהם, קרן הלייזר היא מקור החום הנפוץ ביותר בעל קרן אנרגיה גבוהה בתחום ייצור תוסף המתכת. בהשוואה למקורות חום של קרן אלקטרונים ופלזמה מיקרו-קרן, לקרן הלייזר יש יתרונות של נקודת כתיבה עדינה, עלות נמוכה וניתן לכוון אותה למיקום החומר שצוין. היא יכולה להשיג התכה מיידית של חומרי מתכת ולעמוד בדרישות חפיפת תעלות ההיתוך ועיצוב חלקים.

עקרונות בסיסיים של הדפסת תלת מימד בלייזר

הלייזרים המשמשים בהדפסה תלת-ממדית בלייזר כוללים לייזרי סיבים, לייזרי מוליכים למחצה, לייזרי Nd:YAG ולייזרי CO2. חומרים שונים סופגים לייזרים באורכי גל שונים בצורה שונה. בדרך כלל, לייזרי CO2 משמשים להדפסת פולימרים, בעוד לייזרי סיבים משמשים להדפסת אבקות מתכת.

לפי שיטות עיבוד שונות, ניתן לחלק ייצור תוסף לייזר לסינטור לייזר סלקטיבי, התכת לייזר סלקטיבית, סינטור לייזר מתכת ישיר, שקיעת אבקת לייזר, שקיעת מתכת ישירה וכו'. ביניהן, התכת לייזר סלקטיבית (SLM) היא אחת מטכנולוגיות הדפסת התלת-ממד הנפוצות ביותר בלייזר מתכת.

המבנה הבסיסי של מכשיר ההדפסה בהיתוך לייזר סלקטיבי (SLM) מוצג באיור. לפני ההדפסה, יש לשכב את המודל התלת-ממדי ולאחר מכן לקבוע את מסלול הסריקה. השלב הראשון הוא לגרד באופן שווה את שולחן העבודה בעזרת מגרד ולמרוח עליו שכבת אבקה; השלב השני הוא לסרוק מסלול ספציפי על שכבת אבקה זו בעזרת לייזר כדי להמיס אותה ולהדפיס שכבה; השלב השלישי הוא להזיז את שולחן העבודה שכבה אחת למטה, ולאחר מכן לחזור על הפעולה הנ"ל כדי לערום את שכבות ההדפסה מלמטה למעלה, ובכך ליצור את החלק התלת-ממדי להדפסה. על מנת למנוע חמצון, יש לפנות את תא העבודה ולמלא אותו בגז אינרטי במהלך כל התהליך.

הביקוש ללייזרים בהדפסת תלת מימד בלייזר
הביקוש ללייזרים בהדפסה תלת-ממדית בלייזר בא לידי ביטוי בעיקר בשני היבטים: מצד אחד, הספק ויציבות הספק, ומצד שני, איכות הקרן וגודל הנקודה.

01 כוח ויציבות כוח

תהליך ההדפסה התלת-ממדית מסתמך בעיקר על ההשפעה התרמית של הלייזר. עוצמת הלייזר חייבת לעלות על סף אנרגיה מסוים כדי להמיס את החומר. לכן, הוא מקדיש תשומת לב רבה יותר להספק המוצא הממוצע של הלייזר ואינו רגיש למצב הפולס של הלייזר. לכן, בדרך כלל משתמשים בלייזרי סיבים רציפים, וההספק מחולק בערך בין 100W ל-1000W.
ככל שהמודל גדול יותר וככל שיש יותר שכבות, כך זמן ההדפסה ארוך יותר. משך הזמן הוא בדרך כלל בין כמה שעות לעשרות שעות. לכן, דרישות גבוהות לפעולה יציבה לטווח ארוך של הלייזר. אם הטמפרטורה גבוהה מדי, אבקת המתכת עלולה להישרף יתר על המידה ואף לגרום לחלקים אחרים שנוצרו להתיך מחדש; אם הטמפרטורה נמוכה מדי, אבקת המתכת לא נמסה לחלוטין, כוח ההדבקה אינו מספיק, וצורת הרכיב שנוצר עלולה לא להישמר. לכן, יציבות ההספק של הלייזר היא קריטית לאיכות ההדפסה.

02 איכות הקרן וגודל הנקודה

איכות הקרן וגודל הנקודה הם אחד הפרמטרים המרכזיים המשקפים את דיוק ההדפסה. הדפסה תלת-ממדית נוצרת על ידי סריקת קרן לייזר. ככל שנקודת הלייזר קטנה יותר, כך דיוק הסריקה גבוה יותר, כך הרזולוציה של המודל המודפס גבוהה יותר, וכך פני השטח של החלק המודפס עדינים יותר.
איכות הקרן מאופיינת בדרך כלל על ידי BPP או M2. ככל ש-M2 קרוב יותר ל-1, כך איכות הקרן טובה יותר, כך אנרגיית הלייזר מרוכזת יותר, והשפעת החום על האזור שמסביב קטנה יותר; יחד עם זאת, ככל שאיכות הקרן טובה יותר, כך זווית הדיברגנציה המתאימה קטנה יותר, וכך נקודת הממוקדת תהיה קטנה יותר.

03 GW Laser Tech ו-FASTFORM חקר תחום ההדפסה התלת-ממדית
GW Laser Tech, כמובילה עולמית בלייזרי סיבים בעלי בהירות גבוהה, חקרה באופן פעיל גם תחום יישומים זה עם עליית טכנולוגיית הדפסה תלת-ממדית, והשיקה לייזר סיבים רציף חד-מצבי של 500W ברזולוציה של 10 מיקרון/14 מיקרון עבור יישומי הדפסה תלת-ממדית, המכוון למכשירים רפואיים, חלקי רכב, תעופה וחלל ותחומים אחרים.

ביניהם, קוטרי הליבה השונים של 10 מיקרומטר ו-14 מיקרומטר קובעים את גודל הנקודה, המשפיע בעיקר על צפיפות הספק הלייזר, כלומר, כמות אנרגיית האור ליחידת שטח. באותם תנאי הספק, ככל שגודל הנקודה קטן יותר, כך צפיפות הספק הלייזר גדולה יותר. נקודות בעלות צפיפות הספק גבוהה מתאימות להדפסת אבקות מתכת בעלות נקודות התכה גבוהות או השתקפויות גבוהות.

יתרונות המוצר:

➢ עיצוב דק במיוחד וקל משקל, עיצוב בגובה 1.5U בגודל 19 אינץ', משקל

מבנה המוצר מאמץ עיצוב סגור, המכוון לסביבת הדפסה תלת-ממדית, משפר מאוד את האמינות הכוללת של הלייזר, רמת הגנה IP65, ויכול לפעול ברציפות בסביבות קשות כגון טמפרטורה גבוהה, לחות גבוהה ואבק רב.

➢ ההספק המרבי הוא 500W, מספיק ליצירת חומרי מתכת נפוצים כגון פלדת אל-חלד אוסטניטית, פלדת אל-חלד מרטנזיטית, סגסוגת טיטניום, סגסוגת טמפרטורה גבוהה מבוססת ניקל, סגסוגת אלומיניום, סגסוגת מגנזיום וכו'.

➢ יציבות טובה של צריכת חשמל, תנודות לשעה

➢ איכות קרן טובה, M2

FASTFORM (FastForm) היא חברה המתמחה במחקר ופיתוח של טכנולוגיות וציוד הדפסה תלת-ממדית, ויכולה לספק שירותי בנייה מהירה ופתרונות תומכים מובילים. יצרנו שיתוף פעולה מעמיק עם Guanghui Laser, ונבצע ניסויים ומחקר בהדפסה תלת-ממדית על חלקים מרכזיים בתחומי התעופה והחלל, דגמי רכב, ביו-רפואה וכו' בעתיד. השקנו מוצרי לייזר יחיד FF-M140, דגמים ספציפיים להוראה FF-M150, דגמים ספציפיים ללייזר כפול FF-M180D ספציפיים לרפואה דנטלית, דגמים תעשייתיים בעלי לייזר בעל הספק גבוה FF-M300H 1000W, דגמים כפולים FF-M500 ומוצרי לייזר ארבעה FF-M800, וכולם יוצרו בהמוניהם ותומכים בפתרונות לוקליזציה מותאמים אישית. פיתחנו באופן עצמאי את FastLayer, תוכנה לחיתוך ויצירת נתיבים מרובי לייזרים. הציוד אוטומטי לחלוטין וללא השגחה.

למוצר זה היתרונות המשמעותיים הבאים:

➢ טכנולוגיית פיזור אבקה דו-כיוונית ומהירות משתנה, שיעור ניצול אבקה גבוה.

➢ תוכנה שפותחה באופן עצמאי להשלמת חיתוך אוטומטי ותכנון נתיבים בלחיצה אחת.

➢ מגיע עם מצלמה משלו, שיכולה לממש בקרה אוטומטית לחלוטין ותפעול ללא השגחה מרחוק.

➢ הציוד מאמץ מבנה ריתוך משולב, שהוא יציב ביותר וקל להתקנה.

המצב הנוכחי ותחזיות הפיתוח של תעשיית הדפסת התלת-ממד
כיום, הדפסת תלת-ממד נכנסה לעידן של ייצור אבות טיפוס מהיר. על פי נתונים סטטיסטיים של מכון המחקר של תעשיית העסקים של סין, תעשיית המכונות אחראית לחלק הגדול ביותר של תחומי היישומים במורד הזרם בשנת 2021, והגיעה ל-17.5%, אחריה מוצרי אלקטרוניקה צרכנית (16.6%) ומכוניות (16.1%). עם ההתפתחות המהירה של מוצרי אלקטרוניקה צרכנית ותעשיית הרכב, תחומי היישומים של הדפסת תלת-ממד בשני תחומים אלה יורחבו עוד יותר בעתיד.

מבחינת קנה המידה של התעשייה, על פי תחזית רשת ההשקעות של סין: קצב הצמיחה השנתי הממוצע של הדפסת תלת מימד בין השנים 2021 ל-2025 יהיה כ-26.59%, ויגיע ל-70.1 מיליארד יואן בשנת 2025.

הדפסה תלת-ממדית מכסה שלושה היבטים: ציוד, חומרים ושירותים, כאשר ציוד הדפסה מהווה את החלק הגדול ביותר. על פי נתונים שפרסם CCID, היקף תעשיית ציוד ההדפסה התלת-ממדית של סין בשנת 2020 עמד על 9.254 מיליארד יואן, המהווה את החלק הגדול ביותר.

כיום, מחירו של ציוד הדפסה תלת-ממדית עדיין גבוה יחסית. מצד אחד, הסיבה לכך היא פטנטים ומונופולים זרים. מצד שני, הסיבה לכך היא שתעשיית התלת-ממד של ארצי החלה באיחור, הביקוש קטן ומידת האוטונומיה נמוכה. עם שדרוג ופיתוח תעשיית הייצור היוקרתית של ארצי, פיתוח הטכנולוגיה והפחתת העלויות, תעשיית הדפסת התלת-ממד של ארצי תציג מגמה של לוקליזציה גוברת בעתיד. שיתוף פעולה הדוק בין יצרני ציוד הוא קריטי לקידום פיתוח בקנה מידה גדול של טכנולוגיית הדפסה תלת-ממדית.

גואנגהוי לייזר לא רק מתמקדת במחקר וחדשנות של טכנולוגיית מוצרי לייזר, אלא גם ממשיכה לחקור בתחום טכנולוגיית עיבוד הלייזר, ומחויבת לסייע ללקוחות לפתור בעיות יישומים. כיצרנית מובילה של ציוד הדפסה תלת-ממדית מקומית, FASTFORM מכירה את כל ההיבטים של הדפסת תלת-ממד ויש לה צוות ייעוץ מנוסה כדי לספק ללקוחות מוצרים מקצועיים ומתקדמים בתחום הדפסת התלת-ממד. בעתיד, גואנגהוי לייזר תעבוד עם FASTFORM כדי לקדם את היישום והפיתוח של טכנולוגיית הדפסת תלת-ממדית בלייזר בסין ולסייע בשדרוג התעשייה. מקור: גואנגהוי לייזר מחבר: מהנדס יישומים גו ג'יאקסינג