Prieskum aplikácie vláknového laseru v 3D tlači kovov

Ten/Tá/To Prísady ManuProces výroby (3D tlače) kovových materiálov je veľmi žiadaný v oblastiach letectva, kozmonautiky, navigácie, vozidiel, výroby foriem, zdravotníckych zariadení atď. V súčasnosti patria medzi zdroje tepla používané v procese aditívnej výroby kovov tri vysokoenergetické lúče, a to laserový lúč, elektrónový lúč a mikroplazmový lúč, ako aj vstup tepla zo spekania. Spomedzi nich je laserový lúč najpoužívanejším vysokoenergetickým zdrojom tepla v oblasti aditívnej výroby kovov. V porovnaní so zdrojmi tepla s elektrónovým lúčom a mikroplazmovým lúčom má laserový lúč výhody jemného bodu, nízkych nákladov a možnosti nasmerovania do určenej polohy materiálu. Dokáže dosiahnuť okamžité tavenie kovových materiálov a splniť požiadavky na prekrytie tavných kanálov a tvarovanie dielov.

Základné princípy laserovej 3D tlače

Medzi lasery používané pri laserovej 3D tlači patria vláknové lasery, polovodičové lasery, Nd:YAG lasery a CO2 lasery. Rôzne materiály absorbujú lasery rôznych vlnových dĺžok rôzne. CO2 lasery sa zvyčajne používajú na tlač polymérov, zatiaľ čo vláknové lasery sa používajú na tlač kovových práškov.

Podľa rôznych metód spracovania možno laserovú aditívnu výrobu rozdeliť na selektívne laserové spekanie, selektívne laserové tavenie, priame laserové spekanie kovov, laserové nanášanie prášku, priame nanášanie kovov atď. Spomedzi nich je selektívne laserové tavenie (SLM) jednou z najpoužívanejších technológií 3D tlače kovov laserom.

Základná štruktúra tlačiarenského zariadenia so selektívnym laserovým tavením (SLM) je znázornená na obrázku. Pred tlačou je potrebné 3D model navrstviť a potom určiť trajektóriu skenovania. Prvým krokom je rovnomerné zoškrabanie pracovného stola škrabkou a nanesenie vrstvy prášku naň; druhým krokom je naskenovanie špecifickej trajektórie na tejto vrstve prášku laserom, aby sa roztavil a vytlačila vrstva; tretím krokom je posunutie pracovného stola o jednu vrstvu nadol a následné zopakovanie vyššie uvedeného postupu na ukladanie tlačených vrstiev zdola nahor, čím sa vytvorí 3D diel určený na tlač. Aby sa zabránilo oxidácii, pracovná komora musí byť počas celého procesu evakuovaná a naplnená inertným plynom.

Dopyt po laseroch v laserovej 3D tlači
Dopyt po laseroch v laserovej 3D tlači sa odráža najmä v dvoch aspektoch: na jednej strane výkon a stabilita výkonu a na druhej strane kvalita lúča a veľkosť bodu.

01 Výkon a stabilita výkonu

Proces 3D tlače sa spolieha najmä na tepelný účinok laseru. Intenzita laseru musí prekročiť určitú energetickú hranicu, aby sa materiál roztavil. Preto sa viac zameriava na priemerný výstupný výkon laseru a nie je citlivý na pulzný režim laseru. Preto sa zvyčajne používajú kontinuálne vláknové lasery s výkonom približne rozdeleným medzi 100 W a 1 000 W.
Čím väčší je model a čím viac vrstiev, tým dlhší je čas tlače. Trvanie sa zvyčajne pohybuje od niekoľkých hodín do desiatok hodín. Preto sa kladú vysoké požiadavky na dlhodobú stabilnú prevádzku lasera. Ak je teplota príliš vysoká, kovový prášok sa môže prepáliť a dokonca spôsobiť pretavenie iných tvarovaných dielov; ak je teplota príliš nízka, kovový prášok sa úplne neroztaví, spojovacia sila je nedostatočná a tvar tvarovaného dielu sa nemusí zachovať. Preto je stabilita výkonu laseru kľúčová pre kvalitu tlače.

02 Kvalita lúča a veľkosť bodu

Kvalita lúča a veľkosť bodu sú jedným z kľúčových parametrov, ktoré odrážajú presnosť tlače. 3D tlač sa vytvára skenovaním laserovým lúčom. Čím menší je laserový bod, tým vyššia je presnosť skenovania, tým vyššie je rozlíšenie tlačeného modelu a tým jemnejší je povrch tlačeného dielu.
Kvalita lúča sa zvyčajne charakterizuje pomocou BPP alebo M2. Čím je M2 bližšie k 1, tým lepšia je kvalita lúča, tým koncentrovanejšia je laserová energia a tým menší je tepelný účinok na okolitú oblasť; zároveň platí, že čím lepšia je kvalita lúča, tým menší je zodpovedajúci uhol divergencie a tým menšie bude zaostrené miesto.

03 Prieskum spoločností GW Laser Tech a FASTFORM v oblasti 3D tlače
Spoločnosť GW Laser Tech, ako svetový líder v oblasti vysokojasných vláknových laserov, aktívne skúma túto oblasť aplikácií s nástupom... Technológia 3D tlačea uviedla na trh 500W jednomódový kontinuálny vláknový laser s vlnovou dĺžkou 10 μm/14 μm pre 3D tlač, zameraný na zdravotnícke pomôcky, automobilové súčiastky, letecký a kozmický priemysel a ďalšie oblasti.

Medzi nimi rôzne priemery jadra 10 μm a 14 μm určujú veľkosť bodu, ktorá ovplyvňuje najmä hustotu výkonu laseru, teda množstvo svetelnej energie na jednotku plochy. Za rovnakých výkonových podmienok platí, že čím menšia je veľkosť bodu, tým väčšia je hustota výkonu laseru. Body s vysokou hustotou výkonu sú vhodné na tlač kovových práškov s vysokými bodmi topenia alebo vysokými odrazmi.

Výhody produktu:

➢ Ultratenký a ľahký dizajn, výška 19 palcov (1,5U), hmotnosť

➢ Konštrukcia produktu má uzavretý dizajn zameraný na prostredie 3D tlače, čo výrazne zlepšuje celkovú spoľahlivosť laseru, úroveň ochrany IP65 a umožňuje nepretržitú prevádzku v náročných prostrediach, ako sú vysoké teploty, vysoká vlhkosť a vysoká prašnosť.

➢ Maximálny výkon je 500 W, čo je dostatočné na tvarovanie bežných kovových materiálov, ako je austenitická nehrdzavejúca oceľ, martenzitická nehrdzavejúca oceľ, titánová zliatina, vysokoteplotná zliatina na báze niklu, hliníková zliatina, horčíková zliatina atď.

➢ Dobrá stabilita výkonu, kolísanie za hodinu

➢ Dobrá kvalita lúča, M2

FASTFORM (FastForm) je spoločnosť špecializujúca sa na výskum a vývoj technológií a zariadení 3D tlače a môže poskytovať špičkové služby rýchleho prototypovania a podporné riešenia. Nadviazali sme hlbokú spoluprácu so spoločnosťou Guanghui Laser a v budúcnosti budeme vykonávať experimenty s 3D tlačou a výskum kľúčových súčiastok v oblastiach leteckého priemyslu, automobilových modelov, biomedicíny atď. Uviedli sme na trh produkty FF-M140 s jedným laserom, modely FF-M150 určené na výučbu, modely FF-M180D s dvojitým laserom určené na zubné použitie, priemyselné modely FF-M300H s vysokým výkonom 1000 W, modely s dvojitým laserom FF-M500 a produkty FF-M800 so štyrmi lasermi a všetky boli sériovo vyrábané a podporujú prispôsobené lokalizačné riešenia. Nezávisle sme vyvinuli FastLayer, softvér na viaclaserové rezanie a generovanie dráh. Zariadenie je plne automatické a bezobslužné.

Tento produkt má nasledujúce významné výhody:

➢ Technológia obojsmerného a variabilného rozptylu prášku, vysoká miera využitia prášku.

➢ Nezávisle vyvinutý softvér na automatické krájanie a plánovanie trás jedným kliknutím.

➢ Dodáva sa s vlastnou kamerou, ktorá umožňuje plne automatické ovládanie a bezobslužnú prevádzku na diaľku.

➢ Zariadenie využíva integrovanú zváraciu konštrukciu, ktorá je vysoko stabilná a ľahko sa inštaluje.

Súčasný stav a perspektívy rozvoja 3D tlačiarenského priemyslu
V súčasnosti 3D tlač vstúpila do éry rýchleho prototypovania. Podľa štatistík Čínskeho výskumného inštitútu pre obchodný a priemyselný priemysel (CBIRI) predstavuje strojársky priemysel v roku 2021 najväčší podiel v aplikačných oblastiach následných aplikácií, a to 17,5 %, nasleduje spotrebná elektronika (16,6 %) a automobily (16,1 %). S rýchlym rozvojom spotrebnej elektroniky a automobilového priemyslu sa oblasti použitia 3D tlače v týchto dvoch oblastiach v budúcnosti ešte rozšíria.

Pokiaľ ide o rozsah odvetvia, podľa prognózy China Investment Network bude priemerná ročná zložená miera rastu 3D tlače od roku 2021 do roku 2025 približne 26,59 % a v roku 2025 dosiahne 70,1 miliardy juanov.

3D tlač zahŕňa tri aspekty: zariadenia, materiály a služby, pričom najväčší podiel majú tlačiarenské zariadenia. Podľa údajov zverejnených spoločnosťou CCID dosiahol rozsah čínskeho priemyslu 3D tlačiarenských zariadení v roku 2020 hodnotu 9,254 miliardy juanov, čo predstavuje najväčší podiel.

V súčasnosti je cena 3D tlačiarenských zariadení stále relatívne vysoká. Na jednej strane je to kvôli zahraničným patentom a monopolom. Na druhej strane je to preto, že 3D priemysel v mojej krajine začal neskoro, dopyt je malý a stupeň autonómie je nízky. S modernizáciou a rozvojom špičkového výrobného priemyslu v mojej krajine, rozvojom technológií a znižovaním nákladov bude 3D tlačiarenský priemysel v mojej krajine v budúcnosti vykazovať trend rastúcej lokalizácie. Úzka spolupráca medzi výrobcami zariadení je kľúčová pre podporu rozsiahleho rozvoja 3D tlačiarenskej technológie.

Spoločnosť Guanghui Laser sa zameriava nielen na výskum a inovácie v oblasti technológie laserových produktov, ale neustále skúma aj oblasť technológie laserového spracovania a je odhodlaná pomáhať zákazníkom riešiť problémy s aplikáciami. Ako popredný domáci výrobca zariadení na 3D tlač je spoločnosť FASTFORM oboznámená so všetkými aspektmi 3D tlače a má skúsený konzultačný tím, ktorý zákazníkom poskytuje profesionálne špičkové produkty v oblasti 3D tlače. V budúcnosti bude spoločnosť Guanghui Laser spolupracovať so spoločnosťou FASTFORM na podpore aplikácie a vývoja technológie laserovej 3D tlače v Číne a na pomoci pri modernizácii tohto odvetvia. Zdroj: Guanghui Laser Autor: Aplikačný inžinier Gu Jiaxing