Исследование возможностей применения волоконного лазера в 3D-печати металлом.

Он Руководство по применению добавокПроцесс 3D-печати металлических материалов пользуется большим спросом в таких областях, как авиация, аэрокосмическая промышленность, навигация, автомобилестроение, производство пресс-форм, медицинское оборудование и др. В настоящее время в процессе аддитивного производства металлов используются три высокоэнергетических источника тепла: лазерный луч, электронный луч и микролучевая плазма, а также тепловая энергия для спекания. Среди них лазерный луч является наиболее широко используемым высокоэнергетическим источником тепла в области аддитивного производства металлов. По сравнению с электронным лучом и микролучевой плазмой, лазерный луч обладает преимуществами тонкой точки, низкой стоимости и может быть направлен в заданное место материала. Он позволяет добиться мгновенного плавления металлических материалов и удовлетворяет требованиям перекрытия каналов расплава и формования деталей.

Основные принципы лазерной 3D-печати

В лазерной 3D-печати используются такие лазеры, как волоконные лазеры, полупроводниковые лазеры, Nd:YAG-лазеры и CO2-лазеры. Различные материалы по-разному поглощают лазерное излучение с разными длинами волн. Обычно CO2-лазеры используются для печати полимеров, а волоконные лазеры — для печати металлических порошков.

В зависимости от используемых методов обработки, лазерное аддитивное производство можно разделить на селективное лазерное спекание, селективное лазерное плавление, прямое лазерное спекание металла, лазерное порошковое напыление, прямое осаждение металла и т. д. Среди них селективное лазерное плавление (SLM) является одной из наиболее широко используемых технологий лазерной 3D-печати металлом.

На рисунке показана базовая структура устройства для селективного лазерного плавления (SLM). Перед печатью необходимо послойно сформировать 3D-модель, а затем определить траекторию сканирования. Первый шаг — равномерное распределение слоя порошка по рабочей поверхности с помощью скребка; второй шаг — сканирование этой поверхности лазером по заданной траектории для её расплавления и печати слоя; третий шаг — перемещение рабочей поверхности на один слой вниз, а затем повторение описанной выше операции для укладки слоев снизу вверх, формируя таким образом 3D-деталь. Для предотвращения окисления рабочая камера должна быть вакуумирована и заполнена инертным газом на протяжении всего процесса.

Спрос на лазеры в лазерной 3D-печати
Спрос на лазеры в лазерной 3D-печати в основном определяется двумя аспектами: с одной стороны, мощностью и стабильностью мощности, а с другой — качеством луча и размером пятна.

01 Электропитание и стабильность электропитания

Процесс 3D-печати в основном основан на тепловом эффекте лазера. Интенсивность лазера должна превышать определенный энергетический порог для расплавления материала. Поэтому больше внимания уделяется средней выходной мощности лазера, а не импульсному режиму работы. Следовательно, обычно используются волоконные лазеры непрерывного действия, мощность которых приблизительно составляет от 100 Вт до 1000 Вт.
Чем больше модель и чем больше слоев, тем дольше время печати. ​​Обычно оно составляет от нескольких часов до десятков часов. Поэтому к длительной стабильной работе лазера предъявляются высокие требования. Если температура слишком высока, металлический порошок может перегореть и даже привести к повторному расплавлению других формованных деталей; если температура слишком низка, металлический порошок не расплавится полностью, прочность сцепления будет недостаточной, и форма формованного компонента может не сохраниться. Поэтому стабильность мощности лазера имеет решающее значение для качества печати.

02 Качество луча и размер пятна

Качество лазерного луча и размер пятна — одни из ключевых параметров, отражающих точность печати. ​​3D-печать осуществляется путем сканирования лазерным лучом. Чем меньше лазерное пятно, тем выше точность сканирования, тем выше разрешение напечатанной модели и тем более тонкой будет поверхность напечатанной детали.
Качество пучка обычно характеризуется параметрами BPP или M2. Чем ближе M2 к 1, тем лучше качество пучка, тем более концентрирована энергия лазера и тем меньше тепловое воздействие на окружающую область; в то же время, чем лучше качество пучка, тем меньше соответствующий угол расходимости и тем меньше будет сфокусированное пятно.

03 GW Laser Tech и FASTFORM проводят исследования в области 3D-печати.
Компания GW Laser Tech, являясь мировым лидером в производстве высокоярких волоконных лазеров, также активно изучает эту область применения в связи с ростом популярности лазеров. Технология 3D-печатии выпустили одномодовый волоконный лазер мощностью 500 Вт с длиной волны 10 мкм/14 мкм для 3D-печати, предназначенный для медицинских устройств, автомобильных деталей, аэрокосмической отрасли и других областей.

Среди них различные диаметры сердечника — 10 мкм и 14 мкм — определяют размер пятна, который в основном влияет на плотность мощности лазера, то есть на количество световой энергии на единицу площади. При одинаковых условиях мощности, чем меньше размер пятна, тем выше плотность мощности лазера. Пятна с высокой плотностью мощности подходят для печати металлическими порошками с высокой температурой плавления или высоким коэффициентом отражения.

Преимущества продукта:

➢ Ультратонкий и легкий дизайн, высота 1,5U (19 дюймов), вес

➢ Конструкция изделия выполнена в закрытом исполнении, ориентированном на условия 3D-печати, что значительно повышает общую надежность лазера, обеспечивает уровень защиты IP65 и позволяет непрерывно работать в суровых условиях, таких как высокая температура, высокая влажность и высокая запыленность.

➢ Максимальная мощность составляет 500 Вт, чего достаточно для обработки распространенных металлических материалов, таких как аустенитная нержавеющая сталь, мартенситная нержавеющая сталь, титановые сплавы, высокотемпературные сплавы на основе никеля, алюминиевые сплавы, магниевые сплавы и т. д.

➢ Высокая стабильность электропитания, колебания в час

➢ Хорошее качество луча, M2

FASTFORM (FastForm) — компания, специализирующаяся на исследованиях и разработках в области технологий и оборудования 3D-печати, предоставляющая высококачественные услуги по быстрому прототипированию и сопутствующие решения. Мы установили тесное сотрудничество с компанией Guanghui Laser и в будущем планируем проводить эксперименты и исследования в области 3D-печати ключевых компонентов в аэрокосмической отрасли, автомобилестроении, биомедицине и т.д. Мы выпустили лазерные изделия FF-M140, учебные модели FF-M150, стоматологические модели с двумя лазерами FF-M180D, промышленные модели с мощным лазером FF-M300H мощностью 1000 Вт, модели с двумя лазерами FF-M500 и модель с четырьмя лазерами FF-M800. Все эти изделия запущены в серийное производство и поддерживают индивидуальные решения по локализации. Мы самостоятельно разработали FastLayer — программное обеспечение для многолазерной нарезки и генерации траекторий. Оборудование полностью автоматизировано и работает без участия оператора.

Данный продукт обладает следующими существенными преимуществами:

➢ Двунаправленная технология распределения порошка с регулируемой скоростью, обеспечивающая высокую степень использования порошка.

➢ Разработанное нами программное обеспечение для автоматического нарезки и планирования траектории одним щелчком мыши.

➢ Оснащен собственной камерой, что позволяет осуществлять полностью автоматическое управление и работу в автоматическом режиме удаленно.

➢ Оборудование имеет цельносварную конструкцию, что обеспечивает высокую стабильность и простоту монтажа.

Текущее состояние и перспективы развития индустрии 3D-печати
В настоящее время 3D-печать вступила в эру быстрого прототипирования. Согласно статистике Китайского научно-исследовательского института бизнеса, в 2021 году на машиностроительную отрасль приходилась наибольшая доля в смежных областях применения, достигающая 17,5%, за ней следовали бытовая электроника (16,6%) и автомобилестроение (16,1%). С быстрым развитием бытовой электроники и автомобильной промышленности области применения 3D-печати в этих двух отраслях будут в будущем еще больше расширяться.

Что касается масштабов отрасли, то, согласно прогнозу Китайской инвестиционной сети, среднегодовой темп роста рынка 3D-печати с 2021 по 2025 год составит около 26,59%, а к 2025 году он достигнет 70,1 млрд юаней.

3D-печать охватывает три аспекта: оборудование, материалы и услуги, при этом наибольшую долю занимает оборудование для 3D-печати. ​​Согласно данным, опубликованным CCID, объем китайской индустрии оборудования для 3D-печати в 2020 году составил 9,254 миллиарда юаней, что составляет наибольшую долю рынка.

В настоящее время цены на оборудование для 3D-печати остаются относительно высокими. С одной стороны, это связано с зарубежными патентами и монополиями. С другой стороны, это объясняется поздним развитием 3D-индустрии в нашей стране, небольшим спросом и низкой степенью автономности. С модернизацией и развитием высокотехнологичной обрабатывающей промышленности, совершенствованием технологий и снижением затрат, в будущем в 3D-индустрии страны будет наблюдаться тенденция к увеличению локализации. Тесное сотрудничество между производителями оборудования имеет решающее значение для содействия масштабному развитию технологии 3D-печати.

Компания Guanghui Laser не только фокусируется на исследованиях и инновациях в области лазерных технологий, но и продолжает изучать технологии лазерной обработки, стремясь помочь клиентам в решении прикладных задач. Компания FASTFORM, ведущий отечественный производитель оборудования для 3D-печати, хорошо знакома со всеми аспектами 3D-печати и имеет опытную команду консультантов, предоставляющих клиентам профессиональные высококачественные продукты в области 3D-печати. ​​В будущем Guanghui Laser будет сотрудничать с FASTFORM для продвижения применения и развития технологии лазерной 3D-печати в Китае и содействия модернизации отрасли. Источник: Guanghui Laser. Автор: инженер по применению Гу Цзясин.