Raziskovanje uporabe vlakenskega laserja pri 3D-tiskanju kovin

The Dodatek ManuPostopek 3D-tiskanja kovinskih materialov je zelo iskaen na področjih letalstva, vesoljske in vesoljske industrije, navigacije, vozil, izdelave kalupov, medicinske opreme itd. Trenutno viri toplote, ki se uporabljajo v procesu aditivne proizvodnje kovin, vključujejo tri visokoenergijske žarke, in sicer laserski žarek, elektronski žarek in mikro-žarkovno plazmo, ter dovod toplote sintranja. Med njimi je laserski žarek najpogosteje uporabljen visokoenergijski vir toplote na področju aditivne proizvodnje kovin. V primerjavi z viri toplote elektronskega žarka in mikro-žarkovne plazme ima laserski žarek prednosti fine točke, nizkih stroškov in ga je mogoče usmeriti na določen položaj materiala. Omogoča takojšnje taljenje kovinskih materialov in izpolnjuje zahteve glede prekrivanja talilnih kanalov in oblikovanja delov.

Osnovna načela laserskega 3D-tiskanja

Laserji, ki se uporabljajo pri laserskem 3D-tiskanju, vključujejo vlakenske laserje, polprevodniške laserje, Nd:YAG laserje in CO2 laserje. Različni materiali različno absorbirajo laserje različnih valovnih dolžin. Običajno se CO2 laserji uporabljajo za tiskanje polimerov, medtem ko se vlakenski laserji uporabljajo za tiskanje kovinskih prahov.

Glede na različne metode obdelave lahko lasersko aditivno proizvodnjo razdelimo na selektivno lasersko sintranje, selektivno lasersko taljenje, direktno lasersko sintranje kovin, lasersko nanašanje prahu, direktno nanašanje kovin itd. Med njimi je selektivno lasersko taljenje (SLM) ena najpogosteje uporabljenih tehnologij 3D-tiskanja s kovinskim laserjem.

Osnovna struktura naprave za selektivno lasersko taljenje (SLM) je prikazana na sliki. Pred tiskanjem je treba 3D-model nanesti v plasteh in nato določiti trajektorijo skeniranja. Prvi korak je enakomerno strganje delovne mize s strgalom in nanos plasti prahu nanjo; drugi korak je skeniranje določene trajektorije na tej plasti prahu z laserjem, da se ta stopi in natisne plast; tretji korak je premakniti delovno mizo za eno plast navzdol in nato ponoviti zgornji postopek, da se plasti tiskanja zložijo od spodaj navzgor, s čimer se oblikuje 3D-del, ki ga je treba natisniti. Da bi preprečili oksidacijo, je treba delovno komoro med celotnim postopkom izprazniti in napolniti z inertnim plinom.

Povpraševanje po laserjih pri laserskem 3D-tiskanju
Povpraševanje po laserjih pri laserskem 3D-tiskanju se odraža predvsem v dveh vidikih: na eni strani v moči in stabilnosti moči ter na drugi strani v kakovosti žarka in velikosti pike.

01 Moč in stabilnost moči

Postopek 3D-tiskanja se v glavnem opira na toplotni učinek laserja. Za taljenje materiala mora intenzivnost laserja preseči določen energijski prag. Zato se bolj osredotoča na povprečno izhodno moč laserja in ni občutljiv na pulzni način laserja. Zato se običajno uporabljajo neprekinjeni vlakenski laserji, katerih moč je približno porazdeljena med 100 W in 1000 W.
Večji kot je model in več plasti, daljši je čas tiskanja. Trajanje je običajno od nekaj ur do več deset ur. Zato so visoke zahteve glede dolgoročno stabilnega delovanja laserja. Če je temperatura previsoka, se lahko kovinski prah pregreje in celo povzroči ponovno taljenje drugih oblikovanih delov; če je temperatura prenizka, se kovinski prah ne stopi popolnoma, vezna sila ni zadostna in oblika oblikovanega dela se morda ne ohrani. Zato je stabilnost moči laserja ključnega pomena za kakovost tiskanja.

02 Kakovost žarka in velikost žarilne točke

Kakovost žarka in velikost pike sta ključna parametra, ki odražata natančnost tiskanja. 3D-tiskanje poteka s skeniranjem z laserskim žarkom. Manjša kot je laserska pika, višja je natančnost skeniranja, višja je ločljivost natisnjenega modela in bolj občutljiva je površina natisnjenega dela.
Kakovost žarka je običajno označena z BPP ali M2. Bližje kot je M2 vrednosti 1, boljša je kakovost žarka, bolj koncentrirana je laserska energija in manjši je toplotni učinek na okolico; hkrati pa velja, da je boljša kakovost žarka, manjši je ustrezni kot divergence in manjša bo fokusirana točka.

03 Raziskava GW Laser Tech in FASTFORM na področju 3D-tiskanja
GW Laser Tech, kot vodilni svetovni proizvajalec visokosvetilnih vlakenskih laserjev, je s porastom ... aktivno raziskoval tudi to področje uporabe. Tehnologija 3D-tiskanjain predstavil 500W enomodni 10μm/14μm neprekinjeni vlakenski laser za 3D-tiskanje, namenjen medicinskim pripomočkom, avtomobilskim delom, vesoljski in drugim področjem.

Med njimi različni premeri jeder 10 μm in 14 μm določajo velikost pike, ki v glavnem vpliva na gostoto laserske moči, torej na količino svetlobne energije na enoto površine. Pri enakih pogojih moči velja, da manjša kot je velikost pike, večja je laserska gostota moči. Pike z visoko gostoto moči so primerne za tiskanje kovinskih prahov z visokimi tališčem ali visokim odbojem.

Prednosti izdelka:

➢ Ultra tanka in lahka zasnova, višina 19 palcev (1,5U), teža

➢ Struktura izdelka ima zaprto zasnovo, namenjeno okolju 3D-tiskanja, kar močno izboljša splošno zanesljivost laserja, stopnjo zaščite IP65 in omogoča neprekinjeno delovanje v zahtevnih okoljih, kot so visoka temperatura, visoka vlažnost in visoka prašnost.

➢ Največja moč je 500 W, kar je dovolj za oblikovanje običajnih kovinskih materialov, kot so avstenitno nerjavno jeklo, martenzitno nerjavno jeklo, titanova zlitina, visokotemperaturna zlitina na osnovi niklja, aluminijeva zlitina, magnezijeva zlitina itd.

➢ Dobra stabilnost moči, nihanje na uro

➢ Dobra kakovost žarka, M2

FASTFORM (FastForm) je podjetje, specializirano za raziskave in razvoj tehnologije in opreme za 3D-tiskanje, ki lahko nudi vrhunske storitve hitre izdelave prototipov in podporne rešitve. Vzpostavili smo poglobljeno sodelovanje z Guanghui Laser in bomo v prihodnosti izvajali poskuse in raziskave 3D-tiskanja ključnih delov na področju vesoljske in vesoljske industrije, avtomobilskih modelov, biomedicine itd. Predstavili smo enojne laserske izdelke FF-M140, modele FF-M150 za poučevanje, modele FF-M180D z dvojnim laserjem za zobozdravstvo, industrijske modele z visokozmogljivim laserjem FF-M300H z močjo 1000 W, modele z dvojnim laserjem FF-M500 in štiri laserske izdelke FF-M800, vsi pa so bili množično proizvedeni in podpirajo prilagojene rešitve lokalizacije. Neodvisno smo razvili FastLayer, programsko opremo za rezanje in ustvarjanje poti z več laserji. Oprema je popolnoma avtomatska in brez nadzora.

Ta izdelek ima naslednje pomembne prednosti:

➢ Tehnologija dvosmernega in spremenljivega hitrosti trošenja prahu, visoka stopnja izkoriščenosti prahu.

➢ Neodvisno razvita programska oprema za samodejno rezanje in načrtovanje poti z enim klikom.

➢ Priložena je lastna kamera, ki omogoča popolnoma avtomatsko upravljanje in delovanje brez nadzora na daljavo.

➢ Oprema ima integrirano varilno strukturo, ki je zelo stabilna in enostavna za namestitev.

Trenutno stanje in razvojne možnosti industrije 3D-tiskanja
Trenutno je 3D-tiskanje vstopilo v obdobje hitre izdelave prototipov. Po statističnih podatkih Kitajskega raziskovalnega inštituta za poslovno industrijo je strojna industrija v letu 2021 predstavljala največji delež področij nadaljnje uporabe, in sicer 17,5 %, sledili sta ji potrošniška elektronika (16,6 %) in avtomobili (16,1 %). Z naglim razvojem potrošniške elektronike in avtomobilske industrije se bodo področja uporabe 3D-tiskanja na teh dveh področjih v prihodnosti še razširila.

Kar zadeva obseg industrije, bo po napovedi China Investment Network povprečna letna sestavljena stopnja rasti 3D-tiskanja od leta 2021 do 2025 znašala približno 26,59 % in bo leta 2025 dosegla 70,1 milijarde juanov.

3D-tiskanje zajema tri vidike: opremo, materiale in storitve, med katerimi tiskarska oprema predstavlja največji delež. Po podatkih, ki jih je objavil CCID, je obseg kitajske industrije 3D-tiskalne opreme v letu 2020 znašal 9,254 milijarde juanov, kar predstavlja največji delež.

Trenutno je cena opreme za 3D-tiskanje še vedno relativno visoka. Po eni strani je to posledica tujih patentov in monopolov. Po drugi strani pa je to posledica poznega začetka razvoja 3D-industrije v moji državi, majhnega povpraševanja in nizke stopnje avtonomije. Z nadgradnjo in razvojem visokokakovostne predelovalne industrije v moji državi, razvojem tehnologije in zniževanjem stroškov bo industrija 3D-tiskanja v moji državi v prihodnosti kazala trend vse večje lokalizacije. Tesno sodelovanje med proizvajalci opreme je ključnega pomena za spodbujanje obsežnega razvoja tehnologije 3D-tiskanja.

Guanghui Laser se ne osredotoča le na raziskave in inovacije tehnologije laserskih izdelkov, temveč nenehno raziskuje tudi področje tehnologije laserske obdelave in je zavezan k pomoči strankam pri reševanju težav z aplikacijami. Kot vodilni domači proizvajalec opreme za 3D-tiskanje je FASTFORM seznanjen z vsemi vidiki 3D-tiskanja in ima izkušeno svetovalno ekipo, ki strankam zagotavlja profesionalne vrhunske izdelke na področju 3D-tiskanja. V prihodnosti bo Guanghui Laser sodeloval s FASTFORM pri promociji uporabe in razvoja tehnologije laserskega 3D-tiskanja na Kitajskem ter pri nadgradnji industrije. Vir: Guanghui Laser Avtor: Inženir aplikacij Gu Jiaxing