Exploração da aplicação do laser de fibra na impressão 3D em metal.

O Manufatura AditivaO processo de fabricação aditiva (impressão 3D) de materiais metálicos é muito requisitado nas áreas de aviação, aeroespacial, navegação, veículos, fabricação de moldes, equipamentos médicos, etc. Atualmente, as fontes de calor utilizadas no processo de fabricação aditiva de metais incluem três feixes de alta energia: feixe de laser, feixe de elétrons e plasma de microfeixe, além da entrada de calor por sinterização. Dentre eles, o feixe de laser é a fonte de calor de alta energia mais utilizada na área de fabricação aditiva de metais. Comparado com as fontes de calor de feixe de elétrons e plasma de microfeixe, o feixe de laser apresenta as vantagens de foco preciso, baixo custo e capacidade de ser direcionado para a posição exata do material. Ele permite a fusão instantânea de materiais metálicos e atende aos requisitos de sobreposição do canal de fusão e conformação da peça.

Princípios básicos da impressão 3D a laser

Os lasers utilizados na impressão 3D a laser incluem lasers de fibra, lasers semicondutores, lasers Nd:YAG e lasers de CO2. Materiais diferentes absorvem lasers de comprimentos de onda diferentes de maneiras distintas. Normalmente, os lasers de CO2 são usados ​​para imprimir polímeros, enquanto os lasers de fibra são usados ​​para imprimir pós metálicos.

De acordo com os diferentes métodos de processamento, a manufatura aditiva a laser pode ser dividida em sinterização seletiva a laser, fusão seletiva a laser, sinterização direta de metal a laser, deposição de pó a laser, deposição direta de metal, etc. Dentre elas, a fusão seletiva a laser (SLM) é uma das tecnologias de impressão 3D a laser de metal mais utilizadas.

A estrutura básica do dispositivo de impressão por fusão seletiva a laser (SLM) é mostrada na figura. Antes da impressão, o modelo 3D deve ser dividido em camadas e, em seguida, a trajetória de varredura deve ser determinada. O primeiro passo é raspar uniformemente a superfície de trabalho com uma espátula e espalhar uma camada de pó sobre ela; o segundo passo é varrer uma trajetória específica sobre essa camada de pó com um laser para fundi-la e imprimir uma camada; o terceiro passo é mover a superfície de trabalho uma camada para baixo e, em seguida, repetir a operação anterior para empilhar as camadas de impressão de baixo para cima, formando assim a peça 3D a ser impressa. Para evitar a oxidação, a câmara de trabalho deve ser evacuada e preenchida com gás inerte durante todo o processo.

A demanda por lasers na impressão 3D a laser
A demanda por lasers na impressão 3D a laser se reflete principalmente em dois aspectos: por um lado, potência e estabilidade da potência e, por outro lado, qualidade do feixe e tamanho do ponto.

01 Potência e estabilidade de energia

O processo de impressão 3D depende principalmente do efeito térmico do laser. A intensidade do laser deve ultrapassar um determinado limiar de energia para fundir o material. Portanto, é fundamental dar mais atenção à potência média de saída do laser e não ser tão sensível ao modo de pulso. Por isso, geralmente são utilizados lasers de fibra contínua, com potência distribuída aproximadamente entre 100 W e 1000 W.
Quanto maior o modelo e mais camadas, maior o tempo de impressão. A duração geralmente varia de algumas horas a dezenas de horas. Portanto, a operação estável do laser a longo prazo exige alta precisão. Se a temperatura estiver muito alta, o pó metálico pode superaquecer e até mesmo causar a fusão de outras peças formadas; se a temperatura estiver muito baixa, o pó metálico não derrete completamente, a força de ligação é insuficiente e a forma do componente formado pode não ser preservada. Portanto, a estabilidade da potência do laser é crucial para a qualidade da impressão.

02 Qualidade do feixe e tamanho do ponto

A qualidade do feixe e o tamanho do ponto são parâmetros essenciais que refletem a precisão da impressão. A impressão 3D é realizada por meio da varredura de um feixe de laser. Quanto menor o ponto do laser, maior a precisão da varredura, maior a resolução do modelo impresso e mais delicada a superfície da peça impressa.
A qualidade do feixe é geralmente caracterizada por BPP ou M2. Quanto mais próximo de 1 for o valor de M2, melhor será a qualidade do feixe, mais concentrada será a energia do laser e menor será o efeito térmico na área circundante; ao mesmo tempo, quanto melhor a qualidade do feixe, menor será o ângulo de divergência correspondente e menor será o ponto focalizado.

03 A exploração da GW Laser Tech e da FASTFORM no campo da impressão 3D
A GW Laser Tech, líder mundial em lasers de fibra de alto brilho, também tem explorado ativamente esse campo de aplicação com o crescimento de Tecnologia de Impressão 3De lançou um laser de fibra contínua monomodo de 500 W e 10 μm/14 μm para aplicações de impressão 3D, voltado para dispositivos médicos, peças automotivas, aeroespacial e outros campos.

Entre eles, os diferentes diâmetros do núcleo, de 10 μm e 14 μm, determinam o tamanho do ponto focal, o que afeta principalmente a densidade de potência do laser, ou seja, a quantidade de energia luminosa por unidade de área. Sob as mesmas condições de potência, quanto menor o tamanho do ponto focal, maior a densidade de potência do laser. Pontos focais com alta densidade de potência são adequados para a impressão de pós metálicos com altos pontos de fusão ou alta refletividade.

Vantagens do produto:

➢ Design ultrafino e leve, com altura de 1,5U para um monitor de 19 polegadas, peso inferior a 20 kg, estrutura compacta, tamanho reduzido e leve, proporcionando conveniência de integração incomparável e versatilidade flexível.

➢ A estrutura do produto adota um design fechado, voltado para o ambiente de impressão 3D, melhorando significativamente a confiabilidade geral do laser, com nível de proteção IP65, e podendo operar continuamente em ambientes agressivos, como alta temperatura, alta umidade e alta concentração de poeira.

➢ A potência máxima é de 500 W, o que é suficiente para moldar materiais metálicos comuns, como aço inoxidável austenítico, aço inoxidável martensítico, liga de titânio, liga de alta temperatura à base de níquel, liga de alumínio, liga de magnésio, etc.

➢ Boa estabilidade de energia, flutuação por hora

➢ Boa qualidade de feixe, M2

A FASTFORM (FastForm) é uma empresa especializada em pesquisa e desenvolvimento de tecnologia e equipamentos de impressão 3D, oferecendo serviços de prototipagem rápida de alta qualidade e soluções de suporte. Estabelecemos uma parceria sólida com a Guanghui Laser e, futuramente, conduziremos experimentos e pesquisas de impressão 3D em peças-chave nas áreas aeroespacial, automotiva, biomédica, entre outras. Lançamos os produtos FF-M140 (laser único), FF-M150 (modelo específico para ensino), FF-M180D (modelo específico para odontologia com laser duplo), FF-M300H (modelo industrial com laser de alta potência de 1000W), FF-M500 (modelo com laser duplo) e FF-M800 (modelo com quatro lasers), todos produzidos em massa e com suporte para soluções personalizadas de localização. Desenvolvemos o FastLayer, um software de fatiamento e geração de trajetórias para múltiplos lasers. O equipamento é totalmente automatizado e opera sem supervisão.

Este produto apresenta as seguintes vantagens significativas:

➢ Tecnologia de espalhamento de pó bidirecional e de velocidade variável, alta taxa de utilização do pó.

➢ Software desenvolvido de forma independente para realizar o fatiamento automático e o planejamento de trajetória com um único clique.

➢ Vem com câmera própria, que permite controle totalmente automático e operação remota sem supervisão.

➢ O equipamento adota uma estrutura de soldagem integrada, que é altamente estável e fácil de instalar.

Situação atual e perspectivas de desenvolvimento da indústria de impressão 3D
Atualmente, a impressão 3D entrou na era da prototipagem rápida. De acordo com as estatísticas do Instituto de Pesquisa da Indústria Empresarial da China, a indústria de máquinas representou a maior proporção de campos de aplicação subsequentes em 2021, atingindo 17,5%, seguida por eletrônicos de consumo (16,6%) e automóveis (16,1%). Com o rápido desenvolvimento dos setores de eletrônicos de consumo e automotivo, as áreas de aplicação da impressão 3D nesses dois setores se expandirão ainda mais no futuro.

Em termos de escala industrial, de acordo com a previsão da China Investment Network, a taxa média anual de crescimento composto da impressão 3D de 2021 a 2025 será de cerca de 26,59%, atingindo 70,1 bilhões de yuans em 2025.

A impressão 3D abrange três aspectos: equipamentos, materiais e serviços, sendo que os equipamentos de impressão representam a maior parcela. De acordo com dados divulgados pela CCID, o mercado de equipamentos de impressão 3D na China movimentou 9,254 bilhões de yuans em 2020, representando a maior proporção do setor.

Atualmente, o preço dos equipamentos de impressão 3D ainda é relativamente alto. Por um lado, isso se deve a patentes e monopólios estrangeiros. Por outro lado, deve-se ao fato de a indústria de impressão 3D do meu país ter começado tarde, a demanda ser pequena e o grau de autonomia ser baixo. Com a modernização e o desenvolvimento da indústria de manufatura de alta tecnologia do meu país, o desenvolvimento da tecnologia e a redução de custos, a indústria de impressão 3D do meu país mostrará uma tendência de crescente nacionalização no futuro. A estreita cooperação entre os fabricantes de equipamentos é crucial para promover o desenvolvimento em larga escala da tecnologia de impressão 3D.

A Guanghui Laser não se concentra apenas na pesquisa e inovação em tecnologia de produtos a laser, mas também continua a explorar o campo da tecnologia de processamento a laser e está comprometida em ajudar os clientes a resolver problemas de aplicação. Como fabricante líder nacional de equipamentos de impressão 3D, a FASTFORM conhece todos os aspectos da impressão 3D e possui uma equipe de consultoria experiente para fornecer aos clientes produtos profissionais de ponta na área de impressão 3D. No futuro, a Guanghui Laser trabalhará com a FASTFORM para promover a aplicação e o desenvolvimento da tecnologia de impressão 3D a laser na China e ajudar a modernizar o setor. Fonte: Guanghui Laser. Autor: Engenheiro de Aplicação Gu Jiaxing.