Utforskning av tillämpningen av fiberlaser inom 3D-utskrift av metall

De TillsatsmanufakturTillverkning (3D-utskrift) av metallmaterial är mycket efterfrågad inom områdena flyg, rymdfart, navigering, fordon, formtillverkning, medicinsk utrustning etc. För närvarande inkluderar de värmekällor som används i den additiva metalltillverkningsprocessen tre högenergistrålar, nämligen laserstråle, elektronstråle och mikrostråleplasma, samt sintringsvärmeinmatning. Bland dessa är laserstrålen den mest använda högenergistrålvärmekällan inom området additiv metalltillverkning. Jämfört med elektronstråle- och mikrostråleplasmavärmekällor har laserstrålen fördelarna med finpunktsjustering, låg kostnad och kan riktas mot den specificerade materialpositionen. Den kan uppnå omedelbar smältning av metallmaterial och uppfylla kraven för överlappning av smältkanaler och delformning.

Grundläggande principer för laser 3D-utskrift

Lasrarna som används i laser-3D-utskrift inkluderar fiberlasrar, halvledarlasrar, Nd:YAG-lasrar och CO2-lasrar. Olika material absorberar lasrar med olika våglängder på olika sätt. Vanligtvis används CO2-lasrar för att skriva ut polymerer, medan fiberlasrar används för att skriva ut metallpulver.

Enligt olika bearbetningsmetoder kan laseradditiv tillverkning delas in i selektiv lasersintring, selektiv lasersmältning, direkt metalllasersintring, laserpulveravsättning, direkt metallavsättning, etc. Bland dem är selektiv lasersmältning (SLM) en av de mest använda 3D-laserutskriftsteknikerna för metall.

Grundstrukturen för den selektiva lasersmältnings- (SLM) utskriftsenheten visas i figuren. Före utskrift måste 3D-modellen skiktas och sedan måste skanningsbanan bestämmas. Det första steget är att jämnt skrapa arbetsbänken med en skrapa och sprida ett lager pulver på den; det andra steget är att skanna en specifik bana på detta pulverlager med en laser för att smälta det och skriva ut ett lager; det tredje steget är att flytta arbetsbänken ner ett lager och sedan upprepa ovanstående operation för att stapla utskriftslagren nerifrån och upp, och därmed bilda den 3D-del som ska skrivas ut. För att förhindra oxidation måste arbetskammaren evakueras och fyllas med inert gas under hela processen.

Efterfrågan på lasrar inom laser 3D-utskrift
Efterfrågan på lasrar inom laser-3D-utskrift återspeglas huvudsakligen i två aspekter: å ena sidan effekt och effektstabilitet, och å andra sidan strålkvalitet och punktstorlek.

01 Kraft och kraftstabilitet

3D-utskriftsprocessen förlitar sig huvudsakligen på laserns termiska effekt. Laserintensiteten måste överstiga ett visst energitröskelvärde för att smälta materialet. Därför ägnas mer uppmärksamhet åt laserns genomsnittliga uteffekt och är inte känslig för laserns pulsläge. Därför används vanligtvis kontinuerliga fiberlasrar, och effekten är grovt fördelad mellan 100 W och 1000 W.
Ju större modellen är och ju fler lager, desto längre blir utskriftstiden. Längden är generellt från några timmar till dussintals timmar. Därför ställs höga krav på laserns långsiktiga stabila drift. Om temperaturen är för hög kan metallpulvret överbrännas och till och med orsaka att andra formade delar smälter om; om temperaturen är för låg smälts metallpulvret inte helt, bindningskraften är otillräcklig och formen på den formade komponenten kanske inte bibehålls. Därför är laserns effektstabilitet avgörande för utskriftskvaliteten.

02 Strålkvalitet och punktstorlek

Strålkvalitet och punktstorlek är en av de viktigaste parametrarna som återspeglar utskriftens noggrannhet. 3D-utskrift skapas genom laserstråleskanning. Ju mindre laserpunkten är, desto högre skanningsnoggrannhet, desto högre upplösning på den utskrivna modellen och desto ömtåligare är ytan på den utskrivna delen.
Strålkvaliteten kännetecknas vanligtvis av BPP eller M2. Ju närmare M2 är 1, desto bättre strålkvalitet, desto mer koncentrerad laserenergi och desto mindre värmeeffekt på omgivningen. Samtidigt, ju bättre strålkvalitet, desto mindre motsvarande divergensvinkel och desto mindre blir den fokuserade fläcken.

03 GW Laser Tech och FASTFORMs utforskning inom 3D-utskrift
GW Laser Tech, som världsledande inom fiberlasrar med hög ljusstyrka, har också aktivt utforskat detta tillämpningsområde med uppkomsten av 3D-utskriftsteknik, och lanserade en 500W single-mode 10μm/14μm kontinuerlig fiberlaser för 3D-utskriftstillämpningar, med inriktning på medicintekniska produkter, bildelar, flyg- och rymdteknik och andra områden.

Bland dem bestämmer de olika kärndiametrarna på 10 μm och 14 μm punktstorleken, vilket huvudsakligen påverkar laserns effekttäthet, det vill säga mängden ljusenergi per ytenhet. Under samma effektförhållanden gäller att ju mindre punktstorleken är, desto större är laserns effekttäthet. Punkter med hög effekttäthet är lämpliga för att trycka metallpulver med höga smältpunkter eller höga reflektioner.

Produktfördelar:

➢ Ultratunn och lätt design, 19-tums 1,5U-höjd, vikt

➢ Produktstrukturen har en sluten design, avsedd för 3D-utskriftsmiljöer, vilket avsevärt förbättrar laserns övergripande tillförlitlighet, IP65-skyddsnivån och kan användas kontinuerligt i tuffa miljöer som hög temperatur, hög luftfuktighet och mycket damm.

➢ Den maximala effekten är 500 W, vilket räcker för att forma vanliga metallmaterial som austenitiskt rostfritt stål, martensitiskt rostfritt stål, titanlegering, nickelbaserad högtemperaturlegering, aluminiumlegering, magnesiumlegering etc.

➢ God strömstabilitet, fluktuation per timme

➢ God strålkvalitet, M2

FASTFORM (FastForm) är ett företag som specialiserar sig på forskning och utveckling av 3D-utskriftsteknik och -utrustning, och kan erbjuda förstklassiga snabba prototyptjänster och supportlösningar. Vi har etablerat ett djupgående samarbete med Guanghui Laser och kommer att genomföra 3D-utskriftsexperiment och forskning på viktiga delar inom flyg- och rymdteknik, bilmodeller, biomedicin etc. i framtiden. Vi har lanserat FF-M140 enkellaserprodukter, FF-M150 undervisningsspecifika modeller, FF-M180D dubbellaserspecifika tandvårdsmodeller, FF-M300H 1000W högeffektslasermodeller för industrin, FF-M500 dubbellasermodeller och FF-M800 fyra laserprodukter, och alla har massproducerats och stöder anpassade lokaliseringslösningar. Vi har oberoende utvecklat FastLayer, en programvara för multilaserskärning och bangenerering. Utrustningen är helautomatisk och obevakad.

Denna produkt har följande betydande fördelar:

➢ Pulverspridningsteknik med dubbelriktad och variabel hastighet, hög pulverutnyttjandegrad.

➢ Oberoende utvecklad programvara för att slutföra automatisk slicing och banplanering med ett klick.

➢ Levereras med egen kamera, som kan uppnå helautomatisk styrning och obevakad drift på distans.

➢ Utrustningen använder en integrerad svetsstruktur, som är mycket stabil och enkel att installera.

Nuvarande status och utvecklingsutsikter för 3D-utskriftsindustrin
För närvarande har 3D-utskrift gått in i en era av snabb prototypframställning. Enligt statistik från China Business Industry Research Institute står maskinindustrin för den största andelen av nedströmsapplikationsområden år 2021 och uppgick till 17,5 %, följt av konsumentelektronik (16,6 %) och bilar (16,1 %). Med den snabba utvecklingen av konsumentelektronik och bilindustrin kommer tillämpningsområdena för 3D-utskrift inom dessa två områden att utökas ytterligare i framtiden.

När det gäller branschstorlek, enligt China Investment Networks prognos: den genomsnittliga årliga sammansatta tillväxttakten för 3D-utskrift från 2021 till 2025 kommer att vara cirka 26,59%, och den kommer att nå 70,1 miljarder yuan år 2025.

3D-utskrift omfattar tre aspekter: utrustning, material och tjänster, varav utskriftsutrustning står för den största andelen. Enligt data som släppts av CCID var Kinas 3D-utskriftsutrustningsindustri år 2020 9,254 miljarder yuan, vilket stod för den största andelen.

För närvarande är priset på 3D-utskriftsutrustning fortfarande relativt högt. Å ena sidan beror det på utländska patent och monopol. Å andra sidan beror det på att mitt lands 3D-industri startade sent, efterfrågan är liten och graden av autonomi är låg. Med uppgraderingen och utvecklingen av mitt lands avancerade tillverkningsindustri, teknikutvecklingen och kostnadsminskningen kommer mitt lands 3D-utskriftsindustri att visa en trend av ökad lokalisering i framtiden. Ett nära samarbete mellan utrustningstillverkare är avgörande för att främja storskalig utveckling av 3D-utskriftsteknik.

Guanghui Laser fokuserar inte bara på forskning och innovation inom laserproduktteknik, utan fortsätter också att utforska inom området laserbearbetningsteknik och är engagerade i att hjälpa kunder att lösa applikationsproblem. Som en ledande inhemsk tillverkare av 3D-utskriftsutrustning är FASTFORM bekant med alla aspekter av 3D-utskrift och har ett erfaret konsultteam för att förse kunderna med professionella högklassiga produkter inom 3D-utskrift. I framtiden kommer Guanghui Laser att samarbeta med FASTFORM för att främja tillämpningen och utvecklingen av laser-3D-utskriftsteknik i Kina och bidra till att uppgradera branschen. Källa: Guanghui Laser Författare: Applikationsingenjör Gu Jiaxing