Onderzoek naar de toepassing van fiberlasers bij 3D-metaalprinten

De Additief ManuHet fabriceren (3D-printen) van metalen materialen is zeer gewild in sectoren zoals de luchtvaart, ruimtevaart, scheepvaart, voertuigen, matrijzenbouw en medische apparatuur. Momenteel worden in het metaaladditieve productieproces drie soorten warmtebronnen gebruikt: laserstralen, elektronenbundels en microplasma, evenals sinterwarmte. De laserstraal is de meest gebruikte warmtebron in de metaaladditieve productie. Vergeleken met elektronenbundels en microplasma heeft de laserstraal voordelen zoals een fijne spot, lage kosten en de mogelijkheid om de straal op een specifieke plek in het materiaal te richten. Hierdoor kan metaal direct smelten en voldoet de laser aan de eisen voor overlappende smeltkanalen en nauwkeurige vorming van onderdelen.

Basisprincipes van laser 3D-printen

Bij laser 3D-printen worden onder andere fiberlasers, halfgeleiderlasers, Nd:YAG-lasers en CO2-lasers gebruikt. Verschillende materialen absorberen lasers met verschillende golflengten op verschillende manieren. Meestal worden CO2-lasers gebruikt voor het printen van polymeren, terwijl fiberlasers worden gebruikt voor het printen van metaalpoeders.

Afhankelijk van de verschillende verwerkingsmethoden kan laseradditieve productie worden onderverdeeld in selectief lasersinteren, selectief lasersmelten, direct metaallasersinteren, laserpoederdepositie, directe metaaldepositie, enzovoort. Selectief lasersmelten (SLM) is een van de meest gebruikte metaallaser 3D-printtechnologieën.

De basisstructuur van het selectief lasersmelten (SLM) printapparaat is weergegeven in de afbeelding. Voordat er geprint wordt, moet het 3D-model in lagen worden opgebouwd en vervolgens moet het scantraject worden bepaald. De eerste stap is het gelijkmatig schrapen van de werkbank met een schraper en het aanbrengen van een laag poeder; de tweede stap is het scannen van deze poederlaag met een laser langs een specifiek traject om deze te smelten en een laag te printen; de derde stap is het verplaatsen van de werkbank naar beneden, waarna de bovenstaande bewerking wordt herhaald om de printlagen van onder naar boven op elkaar te stapelen en zo het te printen 3D-onderdeel te vormen. Om oxidatie te voorkomen, moet de werkkamer gedurende het gehele proces worden geëvacueerd en gevuld met inert gas.

De vraag naar lasers in laser 3D-printing
De vraag naar lasers in laser 3D-printing komt vooral tot uiting in twee aspecten: enerzijds vermogen en vermogensstabiliteit, en anderzijds straalkwaliteit en spotgrootte.

01 Vermogen en vermogensstabiliteit

Het 3D-printproces is voornamelijk gebaseerd op het thermische effect van de laser. De laserintensiteit moet een bepaalde energiedrempel overschrijden om het materiaal te smelten. Daarom is het gemiddelde uitgangsvermogen van de laser belangrijker dan de pulsmodus. Meestal worden daarom continue vezellasers gebruikt, met een vermogen dat ruwweg tussen de 100W en 1000W ligt.
Hoe groter het model en hoe meer lagen, hoe langer de printtijd. Deze varieert doorgaans van enkele uren tot tientallen uren. Daarom worden er hoge eisen gesteld aan de stabiele werking van de laser op de lange termijn. Als de temperatuur te hoog is, kan het metaalpoeder oververhit raken en zelfs andere gevormde onderdelen opnieuw doen smelten; als de temperatuur te laag is, smelt het metaalpoeder niet volledig, is de hechtkracht onvoldoende en kan de vorm van het gevormde onderdeel verloren gaan. De stabiliteit van het laservermogen is daarom cruciaal voor de printkwaliteit.

02 Straalkwaliteit en spotgrootte

De kwaliteit van de laserstraal en de spotgrootte zijn twee van de belangrijkste parameters die de nauwkeurigheid van het printproces bepalen. 3D-printen gebeurt door middel van laserscanning. Hoe kleiner de laserspot, hoe hoger de scannauwkeurigheid, hoe hoger de resolutie van het geprinte model en hoe verfijnder het oppervlak van het geprinte onderdeel.
De straalkwaliteit wordt doorgaans gekarakteriseerd door BPP of M2. Hoe dichter M2 bij 1 ligt, hoe beter de straalkwaliteit, hoe geconcentreerder de laserenergie en hoe kleiner het warmte-effect op de omgeving; tegelijkertijd geldt dat hoe beter de straalkwaliteit, hoe kleiner de bijbehorende divergentiehoek en hoe kleiner de focusvlek zal zijn.

De verkenning van 3D-printen door 03 GW Laser Tech en FASTFORM.
GW Laser Tech, als wereldleider in glasvezellasers met hoge helderheid, heeft dit toepassingsgebied ook actief onderzocht met de opkomst van 3D-printtechnologieen lanceerde een 500W single-mode 10μm/14μm continue vezellaser voor 3D-printtoepassingen, gericht op medische apparaten, auto-onderdelen, de lucht- en ruimtevaart en andere gebieden.

De verschillende kerndiameters van 10 μm en 14 μm bepalen de spotgrootte, die voornamelijk van invloed is op de laservermogensdichtheid, oftewel de hoeveelheid lichtenergie per oppervlakte-eenheid. Bij dezelfde vermogensomstandigheden geldt: hoe kleiner de spotgrootte, hoe hoger de laservermogensdichtheid. Spots met een hoge vermogensdichtheid zijn geschikt voor het printen van metaalpoeders met een hoog smeltpunt of een hoge reflectie.

Productvoordelen:

➢ Ultradun en lichtgewicht ontwerp, 19-inch 1,5U hoogte, gewicht

➢ De productstructuur heeft een gesloten ontwerp, specifiek gericht op de 3D-printomgeving, waardoor de algehele betrouwbaarheid van de laser aanzienlijk wordt verbeterd. Het product heeft een IP65-beschermingsniveau en kan continu functioneren in ve veeleisende omgevingen zoals hoge temperaturen, hoge luchtvochtigheid en veel stof.

➢ Het maximale vermogen is 500W, wat voldoende is voor het vormen van gangbare metalen materialen zoals austenitisch roestvrij staal, martensitisch roestvrij staal, titaniumlegeringen, nikkelgebaseerde hittebestendige legeringen, aluminiumlegeringen, magnesiumlegeringen, enz.

➢ Goede vermogensstabiliteit, fluctuatie per uur

➢ Goede straalkwaliteit, M2

FASTFORM (FastForm) is een bedrijf dat gespecialiseerd is in onderzoek en ontwikkeling van 3D-printtechnologie en -apparatuur. We bieden hoogwaardige snelle prototypingdiensten en bijbehorende oplossingen. We werken nauw samen met Guanghui Laser en zullen in de toekomst 3D-printexperimenten en -onderzoek uitvoeren naar belangrijke onderdelen voor de lucht- en ruimtevaart, automodellen, biomedische toepassingen, enzovoort. We hebben de FF-M140 enkellaserprinters, de FF-M150 onderwijsmodellen, de FF-M180D dubbele lasermodellen voor tandheelkundige toepassingen, de FF-M300H 1000W industriële lasermodellen, de FF-M500 dubbele lasermodellen en de FF-M800 vierlaserprinters op de markt gebracht. Al deze producten worden in massaproductie genomen en bieden oplossingen voor lokalisatie op maat. We hebben FastLayer, software voor het slicen en genereren van printpaden met meerdere lasers, zelfstandig ontwikkeld. De apparatuur werkt volledig automatisch en zonder toezicht.

Dit product heeft de volgende belangrijke voordelen:

➢ Bidirectionele poederstrooitechnologie met variabele snelheid, hoge poederbenuttingsgraad.

➢ Onafhankelijk ontwikkelde software voor het automatisch snijden en plannen van paden met één klik.

➢ Wordt geleverd met een eigen camera, waarmee volledig automatische bediening en onbeheerde werking op afstand mogelijk is.

➢ De apparatuur is voorzien van een geïntegreerde lasconstructie, waardoor deze zeer stabiel en eenvoudig te installeren is.

Huidige status en ontwikkelingsvooruitzichten van de 3D-printindustrie
Momenteel bevindt 3D-printen zich in het tijdperk van snelle prototyping. Volgens statistieken van het China Business Industry Research Institute is de machine-industrie in 2021 goed voor het grootste aandeel in de downstream-toepassingsgebieden, namelijk 17,5%, gevolgd door consumentenelektronica (16,6%) en de automobielindustrie (16,1%). Met de snelle ontwikkeling van de consumentenelektronica en de automobielindustrie zullen de toepassingsgebieden van 3D-printen in deze twee sectoren in de toekomst verder worden uitgebreid.

Wat de omvang van de industrie betreft, voorspelt China Investment Network dat de gemiddelde jaarlijkse samengestelde groei van 3D-printing tussen 2021 en 2025 ongeveer 26,59% zal bedragen, en dat de markt in 2025 een waarde van 70,1 miljard yuan zal bereiken.

3D-printen omvat drie aspecten: apparatuur, materialen en diensten, waarbij printapparatuur het grootste aandeel heeft. Volgens gegevens van CCID bedroeg de omvang van de Chinese 3D-printapparatuurindustrie in 2020 9,254 miljard yuan, waarmee het het grootste aandeel vertegenwoordigde.

Momenteel zijn de prijzen van 3D-printers nog relatief hoog. Dit komt enerzijds door buitenlandse patenten en monopolies. Anderzijds komt het doordat de 3D-industrie in ons land laat op gang is gekomen, de vraag klein is en de mate van autonomie laag is. Met de modernisering en ontwikkeling van de hoogwaardige maakindustrie in ons land, de technologische vooruitgang en de kostenverlaging, zal de 3D-printindustrie in de toekomst een toenemende lokalisatie laten zien. Nauwe samenwerking tussen fabrikanten van apparatuur is cruciaal voor de grootschalige ontwikkeling van 3D-printtechnologie.

Guanghui Laser richt zich niet alleen op onderzoek en innovatie van laserproducttechnologie, maar blijft ook de mogelijkheden van laserbewerkingstechnologie verkennen en streeft ernaar klanten te helpen bij het oplossen van toepassingsproblemen. Als toonaangevende Chinese fabrikant van 3D-printers is FASTFORM bekend met alle aspecten van 3D-printen en beschikt het over een ervaren adviesteam dat klanten professionele, hoogwaardige producten op het gebied van 3D-printen kan bieden. In de toekomst zal Guanghui Laser samenwerken met FASTFORM om de toepassing en ontwikkeling van laser-3D-printtechnologie in China te bevorderen en de industrie te moderniseren. Bron: Guanghui Laser Auteur: Applicatie-ingenieur Gu Jiaxing