Utforskning av bruken av fiberlaser i 3D-printing av metall

De TilsetningsstoffprodusentDet er stor etterspørsel etter produksjonsprosesser (3D-printing) av metallmaterialer innen luftfart, romfart, navigasjon, kjøretøy, formproduksjon, medisinsk utstyr, etc. For tiden inkluderer varmekildene som brukes i additiv metallproduksjon tre høyenergistråler, nemlig laserstråle, elektronstråle og mikrostråleplasma, samt sintringsvarmetilførsel. Blant disse er laserstrålen den mest brukte høyenergistrålevarmekilden innen additiv metallproduksjon. Sammenlignet med elektronstråle- og mikrostråleplasmavarmekilder har laserstrålen fordelene med finpunktssmelting, lav kostnad og kan rettes mot den spesifiserte materialposisjonen. Den kan oppnå umiddelbar smelting av metallmaterialer og oppfylle kravene til overlapping av smeltekanaler og delforming.

Grunnleggende prinsipper for laser 3D-printing

Laserne som brukes i laser 3D-printing inkluderer fiberlasere, halvlederlasere, Nd:YAG-lasere og CO2-lasere. Ulike materialer absorberer lasere med forskjellige bølgelengder på forskjellige måter. Vanligvis brukes CO2-lasere til å skrive ut polymerer, mens fiberlasere brukes til å skrive ut metallpulver.

I henhold til ulike prosesseringsmetoder kan laseradditiv produksjon deles inn i selektiv lasersintring, selektiv lasersmelting, direkte metalllasersintring, laserpulveravsetning, direkte metallavsetning, etc. Blant dem er selektiv lasersmelting (SLM) en av de mest brukte 3D-laserutskriftsteknologiene for metall.

Den grunnleggende strukturen til den selektive lasersmelte- (SLM) utskriftsenheten er vist i figuren. Før utskrift må 3D-modellen legges lagvis, og deretter må skannebanen bestemmes. Det første trinnet er å skrape arbeidsbenken jevnt med en skrape og spre et lag med pulver på den; det andre trinnet er å skanne en spesifikk bane på dette pulverlaget med en laser for å smelte det og skrive ut et lag; det tredje trinnet er å flytte arbeidsbenken ned ett lag, og deretter gjenta operasjonen ovenfor for å stable utskriftslagene nedenfra og opp, og dermed danne 3D-delen som skal skrives ut. For å forhindre oksidasjon må arbeidskammeret evakueres og fylles med inert gass under hele prosessen.

Etterspørselen etter lasere i laser 3D-printing
Etterspørselen etter lasere i laser 3D-printing gjenspeiles hovedsakelig i to aspekter: på den ene siden effekt og effektstabilitet, og på den andre siden strålekvalitet og punktstørrelse.

01 Kraft og kraftstabilitet

3D-utskriftsprosessen er hovedsakelig avhengig av laserens termiske effekt. Laserintensiteten må overstige en viss energiterskel for å smelte materialet. Derfor er den mer oppmerksom på laserens gjennomsnittlige utgangseffekt og ikke følsom for laserens pulsmodus. Derfor brukes vanligvis kontinuerlige fiberlasere, og effekten er omtrent fordelt mellom 100 W og 1000 W.
Jo større modellen er og jo flere lag, desto lengre er utskriftstiden. Varigheten er vanligvis fra noen få timer til dusinvis av timer. Derfor stilles det høye krav til laserens langsiktige stabile drift. Hvis temperaturen er for høy, kan metallpulveret bli overbrent og til og med føre til at andre formede deler smelter på nytt. Hvis temperaturen er for lav, smelter ikke metallpulveret fullstendig, bindingskraften er utilstrekkelig, og formen på den formede komponenten kan ikke opprettholdes. Derfor er laserens effektstabilitet avgjørende for utskriftskvaliteten.

02 Strålekvalitet og spotstørrelse

Strålekvalitet og punktstørrelse er en av de viktigste parameterne som gjenspeiler utskriftsnøyaktighet. 3D-printing dannes ved laserstråleskanning. Jo mindre laserpunktet er, desto høyere skanningsnøyaktighet, desto høyere oppløsning på den trykte modellen, og desto mer delikat er overflaten på den trykte delen.
Strålekvaliteten karakteriseres vanligvis av BPP eller M2. Jo nærmere M2 er 1, desto bedre er strålekvaliteten, desto mer konsentrert er laserenergien og desto mindre er varmeeffekten på det omkringliggende området. Samtidig er strålekvaliteten bedre, desto mindre er den tilsvarende divergensvinkelen og desto mindre vil det fokuserte punktet være.

03 GW Laser Tech og FASTFORMs utforskning innen 3D-printing
GW Laser Tech, som verdensledende innen fiberlasere med høy lysstyrke, har også aktivt utforsket dette bruksfeltet med fremveksten av 3D-utskriftsteknologi, og lanserte en 500 W enkeltmodus 10 μm/14 μm kontinuerlig fiberlaser for 3D-printing, rettet mot medisinsk utstyr, bildeler, luftfart og andre felt.

Blant dem bestemmer de forskjellige kjernediametrene på 10 μm og 14 μm punktstørrelsen, som hovedsakelig påvirker laserens effekttetthet, det vil si mengden lysenergi per arealenhet. Under de samme effektforholdene, jo mindre punktstørrelsen er, desto større er laserens effekttetthet. Punkter med høy effekttetthet er egnet for utskrift av metallpulver med høye smeltepunkter eller høye refleksjoner.

Produktfordeler:

➢ Ultratynn og lett design, 19-tommers 1,5U høydedesign, vekt

➢ Produktstrukturen har en lukket design, rettet mot 3D-printing, noe som forbedrer laserens generelle pålitelighet betraktelig, IP65-beskyttelsesnivå, og kan operere kontinuerlig i tøffe miljøer som høy temperatur, høy luftfuktighet og mye støv.

➢ Maksimal effekt er 500 W, som er nok til å forme vanlige metallmaterialer som austenittisk rustfritt stål, martensittisk rustfritt stål, titanlegering, nikkelbasert høytemperaturlegering, aluminiumslegering, magnesiumlegering osv.

➢ God strømstabilitet, svingninger per time

➢ God strålekvalitet, M2

FASTFORM (FastForm) er et selskap som spesialiserer seg på forskning og utvikling av 3D-printteknologi og -utstyr, og kan tilby førsteklasses raske prototypingstjenester og støttende løsninger. Vi har etablert et dyptgående samarbeid med Guanghui Laser, og vil utføre 3D-printeksperimenter og forskning på viktige deler innen luftfart, bilmodeller, biomedisin, osv. i fremtiden. Vi har lansert FF-M140 enkeltlaserprodukter, FF-M150 undervisningsspesifikke modeller, FF-M180D dobbellaser tannlegespesifikke modeller, FF-M300H 1000W høyeffektslaserindustrielle modeller, FF-M500 dobbellasermodeller og FF-M800 firelaserprodukter, og alle har blitt masseprodusert og støtter tilpassede lokaliseringsløsninger. Vi har uavhengig utviklet FastLayer, en programvare for multilaserskjæring og banegenerering. Utstyret er helautomatisk og uovervåket.

Dette produktet har følgende betydelige fordeler:

➢ Toveis og variabel hastighets pulverspredningsteknologi, høy pulverutnyttelsesgrad.

➢ Uavhengig utviklet programvare for å fullføre automatisk slicing og baneplanlegging med ett klikk.

➢ Leveres med eget kamera, som kan realisere helautomatisk kontroll og uovervåket drift eksternt.

➢ Utstyret har en integrert sveisestruktur som er svært stabil og enkel å installere.

Nåværende status og utviklingsutsikter for 3D-printindustrien
For tiden har 3D-printing gått inn i en æra med rask prototyping. Ifølge statistikk fra China Business Industry Research Institute sto maskinindustrien for den største andelen av nedstrøms applikasjonsfelt i 2021, og nådde 17,5 %, etterfulgt av forbrukerelektronikk (16,6 %) og biler (16,1 %). Med den raske utviklingen av forbrukerelektronikk og bilindustrien vil bruksområdene for 3D-printing innen disse to feltene bli ytterligere utvidet i fremtiden.

Når det gjelder bransjeskala, ifølge China Investment Networks prognose: den gjennomsnittlige årlige sammensatte vekstraten for 3D-printing fra 2021 til 2025 vil være omtrent 26,59 %, og den vil nå 70,1 milliarder yuan i 2025.

3D-printing dekker tre aspekter: utstyr, materialer og tjenester, hvorav utskriftsutstyr står for den største andelen. Ifølge data utgitt av CCID var omfanget av Kinas 3D-printingsutstyrsindustri i 2020 9,254 milliarder yuan, noe som utgjorde den største andelen.

For tiden er prisen på 3D-printingsutstyr fortsatt relativt høy. På den ene siden skyldes det utenlandske patenter og monopoler. På den andre siden skyldes det at landets 3D-industri startet sent, etterspørselen er liten og graden av autonomi er lav. Med oppgraderingen og utviklingen av landets avanserte produksjonsindustri, teknologiutvikling og kostnadsreduksjoner, vil landets 3D-printingsindustri vise en trend med økende lokalisering i fremtiden. Nært samarbeid mellom utstyrsprodusenter er avgjørende for å fremme storskala utvikling av 3D-printingsteknologi.

Guanghui Laser fokuserer ikke bare på forskning og innovasjon innen laserproduktteknologi, men fortsetter også å utforske innen laserbehandlingsteknologi, og er forpliktet til å hjelpe kunder med å løse applikasjonsproblemer. Som en ledende innenlandsk produsent av 3D-printingsutstyr er FASTFORM kjent med alle aspekter av 3D-printing og har et erfarent konsulentteam for å gi kundene profesjonelle high-end-produkter innen 3D-printing. I fremtiden vil Guanghui Laser samarbeide med FASTFORM for å fremme anvendelsen og utviklingen av laser 3D-printingsteknologi i Kina og bidra til å oppgradere industrien. Kilde: Guanghui Laser Forfatter: Applikasjonsingeniør Gu Jiaxing