Skaidulinio lazerio taikymo metalo 3D spausdinime tyrimas

The Priedų manufaktūraMetalinių medžiagų gamybos (3D spausdinimo) procesas yra labai paklausus aviacijos, kosmoso, navigacijos, transporto priemonių, liejimo formų gamybos, medicinos įrangos ir kt. srityse. Šiuo metu metalo priedų gamybos procese naudojami trijų tipų didelės energijos pluoštai: lazerio spindulys, elektronų spindulys ir mikropluošto plazma, taip pat sukepinimo šilumos tiekimas. Iš jų lazerio spindulys yra plačiausiai naudojamas didelės energijos pluošto šilumos šaltinis metalo priedų gamybos srityje. Palyginti su elektronų spindulio ir mikropluošto plazmos šilumos šaltiniais, lazerio spindulys turi smulkių taškų, mažų sąnaudų ir gali būti nukreiptas į nurodytą medžiagos padėtį pranašumus. Jis gali pasiekti momentinį metalinių medžiagų išlydymą ir atitikti lydymo kanalų persidengimo bei detalių formavimo reikalavimus.

Pagrindiniai lazerinio 3D spausdinimo principai

Lazeriniame 3D spausdinime naudojami pluošto lazeriai, puslaidininkiniai lazeriai, Nd:YAG lazeriai ir CO2 lazeriai. Skirtingos medžiagos skirtingai sugeria skirtingo bangos ilgio lazerius. Paprastai CO2 lazeriai naudojami polimerams spausdinti, o pluošto lazeriai – metalo milteliams spausdinti.

Pagal skirtingus apdorojimo metodus, lazerinė priedų gamyba gali būti suskirstyta į selektyvųjį lazerinį sukepinimą, selektyvųjį lazerinį lydymą, tiesioginį metalo lazerinį sukepinimą, lazerinį miltelių nusodinimą, tiesioginį metalo nusodinimą ir kt. Tarp jų selektyvusis lazerinis lydymas (SLM) yra viena iš plačiausiai naudojamų metalo lazerinio 3D spausdinimo technologijų.

Pagrindinė selektyvaus lazerinio lydymo (SLM) spausdinimo įrenginio struktūra parodyta paveiksle. Prieš spausdinant, 3D modelis turi būti sluoksniuotas, o tada reikia nustatyti skenavimo trajektoriją. Pirmas žingsnis – tolygiai nugramdyti darbastalį grandikliu ir ant jo paskleisti miltelių sluoksnį; antras žingsnis – lazeriu nuskaityti tam tikrą šio miltelių sluoksnio trajektoriją, kad juos išlydytų ir atspausdintų sluoksnį; trečias žingsnis – perkelti darbastalį vienu sluoksniu žemyn, o tada pakartoti aukščiau aprašytą operaciją, kad spausdinimo sluoksniai būtų sukrauti iš apačios į viršų, taip suformuojant spausdinamą 3D detalę. Siekiant išvengti oksidacijos, viso proceso metu darbo kamera turi būti išsiurbta ir užpildyta inertinėmis dujomis.

Lazerių paklausa lazeriniame 3D spausdinime
Lazerinių 3D spausdinimo lazerių paklausa daugiausia atsispindi dviejuose aspektuose: viena vertus, galioje ir galios stabilume, kita vertus, spindulio kokybėje ir taško dydyje.

01 Galia ir galios stabilumas

3D spausdinimo procesas daugiausia remiasi lazerio terminiu poveikiu. Lazerio intensyvumas turi viršyti tam tikrą energijos slenkstį, kad medžiaga išsilydytų. Todėl daugiau dėmesio skiriama vidutinei lazerio išėjimo galiai ir nėra jautrus lazerio impulsiniam režimui. Todėl dažniausiai naudojami ištisiniai pluošto lazeriai, kurių galia maždaug paskirstoma nuo 100 W iki 1000 W.
Kuo didesnis modelis ir kuo daugiau sluoksnių, tuo ilgesnis spausdinimo laikas. Paprastai jis trunka nuo kelių valandų iki dešimčių valandų. Todėl ilgalaikiam stabiliam lazerio veikimui keliami aukšti reikalavimai. Jei temperatūra per aukšta, metalo milteliai gali perkaisti ir netgi išlydyti kitas suformuotas detales; jei temperatūra per žema, metalo milteliai nevisiškai išsilydo, sukibimo jėga nepakankama, o suformuoto komponento forma gali būti neišlaikyta. Todėl lazerio galios stabilumas yra labai svarbus spausdinimo kokybei.

02 Spindulio kokybė ir taško dydis

Spindulio kokybė ir taško dydis yra vieni iš pagrindinių parametrų, atspindinčių spausdinimo tikslumą. 3D spausdinimas atliekamas skenuojant lazerio spindulį. Kuo mažesnis lazerio taškas, tuo didesnis skenavimo tikslumas, tuo didesnė spausdinto modelio skiriamoji geba ir tuo subtilesnis spausdintos detalės paviršius.
Spindulio kokybė paprastai apibūdinama BPP arba M2. Kuo M2 arčiau 1, tuo geresnė spindulio kokybė, tuo labiau koncentruota lazerio energija ir mažesnis šilumos poveikis aplinkinei erdvei; tuo pačiu metu, kuo geresnė spindulio kokybė, tuo mažesnis atitinkamas sklaidos kampas ir tuo mažesnė bus sufokusuota dėmė.

03 GW Laser Tech ir FASTFORM tyrinėjimai 3D spausdinimo srityje
„GW Laser Tech“, kaip pasaulinė lyderė didelio ryškumo skaidulinių lazerių srityje, taip pat aktyviai tyrinėjo šią taikymo sritį, iškilus 3D spausdinimo technologijair pristatė 500 W vienmodžio 10 μm / 14 μm nepertraukiamo pluošto lazerį, skirtą 3D spausdinimo programoms, orientuotoms į medicinos prietaisus, automobilių dalis, aviacijos ir kosmoso bei kitas sritis.

Tarp jų skirtingi 10 μm ir 14 μm šerdies skersmenys lemia taško dydį, kuris daugiausia veikia lazerio galios tankį, t. y. šviesos energijos kiekį ploto vienete. Esant tokioms pačioms galios sąlygoms, kuo mažesnis taško dydis, tuo didesnis lazerio galios tankis. Didelio galingumo tankio taškai tinka spausdinti metalo miltelius, turinčius aukštą lydymosi temperatūrą arba didelį atspindį.

Produkto privalumai:

➢ Itin plonas ir lengvas dizainas, 19 colių 1,5U aukščio konstrukcija, svoris

➢ Gaminio struktūra yra uždara, skirta 3D spausdinimo aplinkai, todėl lazerio patikimumas gerokai padidėja, jis atitinka IP65 apsaugos lygį, todėl jis gali nuolat veikti atšiauriomis sąlygomis, tokiomis kaip aukšta temperatūra, didelė drėgmė ir didelis dulkių kiekis.

➢ Maksimali galia yra 500 W, kurios pakanka įprastiems metalams, tokiems kaip austenitinis nerūdijantis plienas, martensitinis nerūdijantis plienas, titano lydinys, nikelio pagrindo aukštos temperatūros lydinys, aliuminio lydinys, magnio lydinys ir kt., formuoti.

➢ Geras energijos stabilumas, svyravimai per valandą

➢ Gera spindulio kokybė, M2

„FASTFORM“ („FastForm“) – tai įmonė, kuri specializuojasi 3D spausdinimo technologijų ir įrangos tyrimuose ir plėtroje, galinti teikti aukščiausios kokybės greito prototipų kūrimo paslaugas ir pagalbinius sprendimus. Užmezgėme glaudų bendradarbiavimą su „Guanghui Laser“ ir ateityje atliksime 3D spausdinimo eksperimentus bei tyrimus su pagrindinėmis dalimis aviacijos ir kosmoso, automobilių modelių, biomedicinos ir kt. srityse. Pristatėme vieno lazerio FF-M140 gaminius, mokymo tikslais skirtus FF-M150 modelius, odontologijos reikmėms skirtus FF-M180D dviejų lazerių modelius, FF-M300H 1000 W didelės galios lazerinius pramoninius modelius, FF-M500 dviejų lazerių modelius ir FF-M800 keturių lazerių gaminius, ir visi jie buvo masiškai gaminami ir palaiko individualius lokalizacijos sprendimus. Mes nepriklausomai sukūrėme „FastLayer“ – kelių lazerių pjaustymo ir kelio generavimo programinę įrangą. Įranga yra visiškai automatinė ir be priežiūros.

Šis produktas turi šiuos reikšmingus privalumus:

➢ Dvikryptė ir kintamo greičio miltelių paskleidimo technologija, didelis miltelių panaudojimo lygis.

➢ Nepriklausomai sukurta programinė įranga, skirta automatiniam pjaustymui ir kelio planavimui vienu spustelėjimu.

➢ Turi savo kamerą, kuri gali valdyti įrenginį visiškai automatiškai ir nuotoliniu būdu be priežiūros.

➢ Įranga naudoja integruotą suvirinimo konstrukciją, kuri yra labai stabili ir lengvai montuojama.

3D spausdinimo pramonės dabartinė padėtis ir plėtros perspektyvos
Šiuo metu 3D spausdinimas įžengė į greito prototipų kūrimo erą. Remiantis Kinijos verslo pramonės tyrimų instituto statistika, 2021 m. didžiausią dalį, pasiekusią 17,5 %, sudarė mašinų pramonė, po jos sekė plataus vartojimo elektronika (16,6 %) ir automobiliai (16,1 %). Sparčiai vystantis plataus vartojimo elektronikos ir automobilių pramonei, ateityje 3D spausdinimo taikymo sritys šiose dviejose srityse dar labiau išsiplės.

Kalbant apie pramonės mastą, remiantis „China Investment Network“ prognoze: vidutinis metinis 3D spausdinimo sudėtinis augimo tempas nuo 2021 iki 2025 m. bus apie 26,59 %, o 2025 m. jis pasieks 70,1 mlrd. juanių.

3D spausdinimas apima tris aspektus: įrangą, medžiagas ir paslaugas, tarp kurių didžiausią dalį sudaro spausdinimo įranga. Remiantis CCID paskelbtais duomenimis, Kinijos 3D spausdinimo įrangos pramonės mastas 2020 m. siekė 9,254 mlrd. juanių, tai sudarė didžiausią dalį.

Šiuo metu 3D spausdinimo įrangos kaina vis dar yra gana didelė. Viena vertus, tai lemia užsienio patentai ir monopolijos. Kita vertus, taip yra todėl, kad mano šalies 3D pramonė pradėjo veiklą vėlai, paklausa maža, o autonomijos laipsnis žemas. Atnaujinant ir plėtojant mano šalies aukščiausios klasės gamybos pramonę, vystantis technologijoms ir mažinant sąnaudas, mano šalies 3D spausdinimo pramonė ateityje rodys didėjančios lokalizacijos tendenciją. Glaudus įrangos gamintojų bendradarbiavimas yra labai svarbus skatinant didelio masto 3D spausdinimo technologijos plėtrą.

„Guanghui Laser“ ne tik daugiausia dėmesio skiria lazerinių gaminių technologijų tyrimams ir inovacijoms, bet ir toliau tyrinėja lazerinio apdorojimo technologijų sritį bei yra įsipareigojusi padėti klientams spręsti taikymo problemas. Būdama pirmaujančia šalies 3D spausdinimo įrangos gamintoja, „FASTFORM“ yra susipažinusi su visais 3D spausdinimo aspektais ir turi patyrusią konsultavimo komandą, kuri klientams teikia profesionalius aukštos klasės 3D spausdinimo produktus. Ateityje „Guanghui Laser“ bendradarbiaus su „FASTFORM“, siekdama skatinti lazerinio 3D spausdinimo technologijos taikymą ir plėtrą Kinijoje bei padėti atnaujinti pramonę. Šaltinis: „Guanghui Laser“. Autorius: Taikymų inžinierius Gu Jiaxing.