Eksploracja zastosowania lasera światłowodowego w druku 3D metali

Ten Manu dodatkówProces produkcji (druku 3D) materiałów metalowych cieszy się dużym zainteresowaniem w lotnictwie, kosmonautyce, nawigacji, pojazdach, produkcji form, sprzęcie medycznym itp. Obecnie źródła ciepła wykorzystywane w procesie wytwarzania przyrostowego metali obejmują trzy wysokoenergetyczne wiązki: wiązkę laserową, wiązkę elektronów i plazmę mikrowiązkową, a także ciepło doprowadzone podczas spiekania. Spośród nich wiązka laserowa jest najszerzej stosowanym wysokoenergetycznym źródłem ciepła w dziedzinie wytwarzania przyrostowego metali. W porównaniu ze źródłami ciepła wykorzystującymi wiązkę elektronów i plazmę mikrowiązkową, wiązka laserowa charakteryzuje się małymi punktami, niskim kosztem i możliwością skierowania na określony punkt materiału. Pozwala ona na natychmiastowe topienie materiałów metalowych i spełnia wymagania dotyczące nakładania się kanałów stopu oraz formowania detali.

Podstawowe zasady laserowego druku 3D

Lasery używane w laserowym druku 3D obejmują lasery światłowodowe, lasery półprzewodnikowe, lasery Nd:YAG i lasery CO2. Różne materiały w różny sposób absorbują promienie laserowe o różnych długościach fal. Zazwyczaj lasery CO2 są używane do drukowania polimerów, a lasery światłowodowe do drukowania proszków metali.

Ze względu na różne metody przetwarzania, wytwarzanie przyrostowe laserowe można podzielić na selektywne spiekanie laserowe, selektywne topienie laserowe, bezpośrednie spiekanie laserowe metali, laserowe osadzanie proszku, bezpośrednie osadzanie metalu itp. Spośród nich selektywne topienie laserowe (SLM) jest jedną z najpopularniejszych technologii laserowego druku 3D metali.

Podstawową konstrukcję urządzenia drukującego z selektywnym topieniem laserowym (SLM) przedstawiono na rysunku. Przed drukowaniem model 3D musi zostać podzielony na warstwy, a następnie wyznaczona musi zostać trajektoria skanowania. Pierwszym krokiem jest równomierne zeskrobanie powierzchni stołu roboczego skrobakiem i rozprowadzenie na nim warstwy proszku; drugim krokiem jest zeskanowanie tej warstwy proszku laserem, aby ją stopić i wydrukować; trzecim krokiem jest przesunięcie stołu roboczego o jedną warstwę w dół, a następnie powtórzenie powyższej operacji, aby ułożyć warstwy druku od dołu do góry, tworząc w ten sposób drukowany element 3D. Aby zapobiec utlenianiu, komora robocza musi być opróżniona i wypełniona gazem obojętnym przez cały proces.

Zapotrzebowanie na lasery w druku laserowym 3D
Popyt na lasery w druku laserowym 3D odzwierciedla się głównie w dwóch aspektach: z jednej strony mocy i stabilności mocy, a z drugiej strony jakości wiązki i wielkości plamki.

01 Moc i stabilność mocy

Proces drukowania 3D opiera się głównie na efekcie termicznym lasera. Intensywność lasera musi przekroczyć określony próg energetyczny, aby stopić materiał. Dlatego zwraca się większą uwagę na średnią moc wyjściową lasera i nie jest wrażliwa na tryb impulsowy lasera. Dlatego zazwyczaj stosuje się lasery światłowodowe o ciągłym działaniu, których moc mieści się w przedziale od 100 W do 1000 W.
Im większy model i im więcej warstw, tym dłuższy czas druku. Zazwyczaj wynosi on od kilku do kilkudziesięciu godzin. Dlatego też stawiane są wysokie wymagania dotyczące długotrwałej, stabilnej pracy lasera. Zbyt wysoka temperatura może spowodować przepalenie proszku metalu, a nawet przetopienie innych formowanych elementów; zbyt niska temperatura może spowodować niepełne stopienie proszku metalu, niewystarczającą siłę wiązania i brak zachowania kształtu formowanego elementu. Dlatego stabilność mocy lasera ma kluczowe znaczenie dla jakości druku.

02 Jakość wiązki i rozmiar plamki

Jakość wiązki i rozmiar plamki to jedne z kluczowych parametrów wpływających na dokładność druku. Druk 3D odbywa się poprzez skanowanie wiązką laserową. Im mniejsza plamka lasera, tym wyższa dokładność skanowania, wyższa rozdzielczość drukowanego modelu i delikatniejsza powierzchnia drukowanego elementu.
Jakość wiązki jest zazwyczaj określana za pomocą BPP lub M2. Im M2 jest bliższe 1, tym lepsza jakość wiązki, bardziej skoncentrowana energia lasera i mniejszy efekt cieplny na otaczającym obszarze; jednocześnie im lepsza jakość wiązki, tym mniejszy odpowiadający jej kąt rozbieżności i mniejsza będzie ogniskowa plamka.

03 Eksploracja GW Laser Tech i FASTFORM w dziedzinie druku 3D
Firma GW Laser Tech, jako światowy lider w dziedzinie laserów światłowodowych o wysokiej jasności, aktywnie badała również tę dziedzinę zastosowań wraz z rozwojem Technologia druku 3Di wprowadził na rynek 500-watowy jednomodowy laser światłowodowy ciągły o średnicy 10 μm/14 μm przeznaczony do zastosowań w druku 3D, takich jak urządzenia medyczne, części samochodowe, przemysł lotniczy i kosmiczny oraz inne dziedziny.

Wśród nich, różne średnice rdzenia, wynoszące 10 μm i 14 μm, determinują rozmiar plamki, co wpływa głównie na gęstość mocy lasera, czyli ilość energii świetlnej na jednostkę powierzchni. Przy tych samych parametrach mocy, im mniejszy rozmiar plamki, tym większa gęstość mocy lasera. Plamki o dużej gęstości mocy nadają się do drukowania proszków metalowych o wysokiej temperaturze topnienia lub silnym odbiciu.

Zalety produktu:

➢ Ultracienka i lekka konstrukcja, 19-calowy wyświetlacz o wysokości 1,5 U, waga

➢ Konstrukcja produktu jest zamknięta i przeznaczona do środowiska drukowania 3D. W znacznym stopniu poprawia to ogólną niezawodność lasera. Urządzenie charakteryzuje się stopniem ochrony IP65. Może pracować nieprzerwanie w trudnych warunkach, takich jak wysoka temperatura, wysoka wilgotność i duże zapylenie.

➢ Maksymalna moc wynosi 500 W, co jest wystarczające do formowania powszechnie stosowanych materiałów metalowych, takich jak stal nierdzewna austenityczna, stal nierdzewna martenzytyczna, stop tytanu, stop wysokotemperaturowy na bazie niklu, stop aluminium, stop magnezu itp.

➢ Dobra stabilność mocy, wahania na godzinę

➢ Dobra jakość wiązki, M2

FASTFORM (FastForm) to firma specjalizująca się w badaniach i rozwoju technologii druku 3D oraz urządzeń, oferująca najwyższej jakości usługi szybkiego prototypowania i rozwiązania wspierające. Nawiązaliśmy dogłębną współpracę z Guanghui Laser i w przyszłości będziemy prowadzić eksperymenty i badania z zakresu druku 3D na kluczowych elementach w dziedzinach lotnictwa, modeli samochodowych, biomedycyny itp. Wprowadziliśmy na rynek produkty z pojedynczym laserem FF-M140, modele FF-M150 do zastosowań edukacyjnych, modele FF-M180D z podwójnym laserem stomatologicznym, modele przemysłowe FF-M300H z laserem dużej mocy 1000 W, modele FF-M500 z podwójnym laserem oraz produkty FF-M800 z czterema laserami. Wszystkie te produkty są produkowane masowo i obsługują niestandardowe rozwiązania lokalizacyjne. Niezależnie opracowaliśmy FastLayer, oprogramowanie do cięcia i generowania ścieżek za pomocą wielu laserów. Sprzęt jest w pełni zautomatyzowany i bezobsługowy.

Produkt ten posiada następujące istotne zalety:

➢ Technologia dwukierunkowego i zmiennego rozprowadzania proszku, wysoki stopień wykorzystania proszku.

➢ Niezależnie opracowane oprogramowanie umożliwiające automatyczne cięcie i planowanie ścieżek za pomocą jednego kliknięcia.

➢ Posiada własną kamerę, którą można w pełni automatycznie sterować i obsługiwać zdalnie, bez nadzoru.

➢ Sprzęt posiada zintegrowaną konstrukcję spawaną, która jest bardzo stabilna i łatwa w montażu.

Stan obecny i perspektywy rozwoju branży druku 3D
Druk 3D wkroczył obecnie w erę szybkiego prototypowania. Według statystyk China Business Industry Research Institute, w 2021 roku największy udział w dalszych obszarach zastosowań miał przemysł maszynowy, który osiągnął 17,5%, następnie elektronika użytkowa (16,6%) i motoryzacja (16,1%). Wraz z dynamicznym rozwojem elektroniki użytkowej i przemysłu motoryzacyjnego, obszary zastosowań druku 3D w tych dwóch branżach będą w przyszłości jeszcze bardziej rozszerzane.

Jeśli chodzi o skalę branży, według prognoz China Investment Network: średni roczny skumulowany wskaźnik wzrostu druku 3D w latach 2021–2025 wyniesie około 26,59%, a w 2025 r. osiągnie 70,1 mld juanów.

Druk 3D obejmuje trzy aspekty: sprzęt, materiały i usługi, z których sprzęt do druku ma największy udział. Według danych opublikowanych przez CCID, skala chińskiego przemysłu sprzętu do druku 3D w 2020 roku wyniosła 9,254 miliarda juanów, co stanowiło największą część.

Obecnie ceny sprzętu do druku 3D są nadal stosunkowo wysokie. Z jednej strony wynika to z zagranicznych patentów i monopoli. Z drugiej strony, przemysł druku 3D w moim kraju powstał późno, popyt jest niewielki, a poziom autonomii niski. Wraz z modernizacją i rozwojem wysokiej klasy przemysłu wytwórczego w moim kraju, rozwojem technologii i redukcją kosztów, branża druku 3D w moim kraju będzie w przyszłości wykazywać tendencję do coraz większej lokalizacji. Bliska współpraca między producentami sprzętu ma kluczowe znaczenie dla promowania rozwoju technologii druku 3D na dużą skalę.

Guanghui Laser koncentruje się nie tylko na badaniach i innowacjach w zakresie technologii produktów laserowych, ale także stale rozwija technologię obróbki laserowej i angażuje się w pomoc klientom w rozwiązywaniu problemów aplikacyjnych. Jako wiodący krajowy producent urządzeń do druku 3D, FASTFORM zna wszystkie aspekty druku 3D i posiada doświadczony zespół konsultantów, który dostarcza klientom profesjonalne, wysokiej klasy produkty w tej dziedzinie. W przyszłości Guanghui Laser będzie współpracować z FASTFORM, aby promować zastosowanie i rozwój technologii laserowego druku 3D w Chinach oraz wspierać rozwój branży. Źródło: Guanghui Laser Autor: Inżynier ds. Aplikacji Gu Jiaxing