การสำรวจการประยุกต์ใช้เลเซอร์ไฟเบอร์ในการพิมพ์โลหะ 3 มิติ

เดอะ สารเติมแต่งกระบวนการขึ้นรูป (การพิมพ์ 3 มิติ) ของวัสดุโลหะเป็นที่ต้องการอย่างมากในด้านการบิน อวกาศ การเดินเรือ ยานยนต์ การผลิตแม่พิมพ์ อุปกรณ์ทางการแพทย์ ฯลฯ ในปัจจุบัน แหล่งความร้อนที่ใช้ในกระบวนการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุโลหะประกอบด้วยลำแสงพลังงานสูง 3 ชนิด ได้แก่ ลำแสงเลเซอร์ ลำแสงอิเล็กตรอน และพลาสมาไมโครบีม รวมถึงการป้อนความร้อนแบบเผาผนึก ในบรรดาแหล่งความร้อนเหล่านี้ ลำแสงเลเซอร์เป็นแหล่งความร้อนพลังงานสูงที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในด้านการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุโลหะ เมื่อเทียบกับแหล่งความร้อนลำแสงอิเล็กตรอนและพลาสมาไมโครบีม ลำแสงเลเซอร์มีข้อดีคือ จุดแสงละเอียด ต้นทุนต่ำ และสามารถกำหนดทิศทางไปยังตำแหน่งวัสดุที่ต้องการได้ สามารถทำให้วัสดุโลหะหลอมเหลวได้ทันที และตรงตามข้อกำหนดของการทับซ้อนของช่องหลอมเหลวและการขึ้นรูปชิ้นส่วน

หลักการพื้นฐานของการพิมพ์ 3 มิติด้วยเลเซอร์

เลเซอร์ที่ใช้ในการพิมพ์ 3 มิติด้วยเลเซอร์ ได้แก่ เลเซอร์ไฟเบอร์ เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ เลเซอร์ Nd:YAG และเลเซอร์ CO2 วัสดุต่าง ๆ ดูดซับแสงเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นต่างกันได้แตกต่างกัน โดยทั่วไป เลเซอร์ CO2 จะใช้ในการพิมพ์พอลิเมอร์ ในขณะที่เลเซอร์ไฟเบอร์ใช้ในการพิมพ์ผงโลหะ

ตามวิธีการประมวลผลที่แตกต่างกัน การผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุด้วยเลเซอร์สามารถแบ่งออกได้เป็น การเผาผนึกด้วยเลเซอร์แบบเลือกจุด การหลอมด้วยเลเซอร์แบบเลือกจุด การเผาผนึกโลหะโดยตรงด้วยเลเซอร์ การตกตะกอนผงด้วยเลเซอร์ การตกตะกอนโลหะโดยตรง เป็นต้น ในบรรดาเทคโนโลยีเหล่านี้ การหลอมด้วยเลเซอร์แบบเลือกจุด (SLM) เป็นหนึ่งในเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติด้วยเลเซอร์โลหะที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด

ภาพแสดงโครงสร้างพื้นฐานของอุปกรณ์การพิมพ์แบบหลอมด้วยเลเซอร์เลือกจุด (SLM) ก่อนการพิมพ์ โมเดล 3 มิติจะต้องถูกวางเป็นชั้นๆ จากนั้นต้องกำหนดเส้นทางการสแกน ขั้นตอนแรกคือการขูดพื้นผิวแท่นทำงานให้เรียบเสมอกันด้วยเครื่องขูดและกระจายผงลงบนพื้นผิว ขั้นตอนที่สองคือการสแกนตามเส้นทางที่กำหนดบนชั้นผงนี้ด้วยเลเซอร์เพื่อหลอมและพิมพ์ชั้นนั้น ขั้นตอนที่สามคือการเลื่อนแท่นทำงานลงหนึ่งชั้น แล้วทำซ้ำขั้นตอนข้างต้นเพื่อเรียงซ้อนชั้นการพิมพ์จากล่างขึ้นบน จนได้ชิ้นส่วน 3 มิติที่จะพิมพ์ เพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชัน ห้องทำงานจะต้องถูกดูดอากาศออกและเติมด้วยก๊าซเฉื่อยตลอดกระบวนการ

ความต้องการเลเซอร์ในงานพิมพ์ 3 มิติด้วยเลเซอร์
ความต้องการเลเซอร์ในงานพิมพ์ 3 มิติด้วยเลเซอร์นั้นสะท้อนให้เห็นในสองด้านหลักๆ คือ ด้านหนึ่งคือ กำลังและความเสถียรของกำลัง และอีกด้านหนึ่งคือ คุณภาพของลำแสงและขนาดของจุดลำแสง

01 กำลังไฟและความเสถียรของกำลังไฟ

กระบวนการพิมพ์ 3 มิติส่วนใหญ่อาศัยผลกระทบทางความร้อนของเลเซอร์ ความเข้มของเลเซอร์ต้องเกินเกณฑ์พลังงานที่กำหนดเพื่อหลอมวัสดุ ดังนั้นจึงให้ความสำคัญกับกำลังเอาต์พุตเฉลี่ยของเลเซอร์มากกว่าโหมดพัลส์ของเลเซอร์ ด้วยเหตุนี้จึงมักใช้เลเซอร์ไฟเบอร์แบบต่อเนื่อง และกำลังไฟโดยประมาณจะอยู่ระหว่าง 100 วัตต์ถึง 1000 วัตต์
ยิ่งแบบจำลองมีขนาดใหญ่และมีจำนวนชั้นมากเท่าไร เวลาในการพิมพ์ก็จะยิ่งนานขึ้นเท่านั้น โดยทั่วไปแล้วจะใช้เวลาตั้งแต่ไม่กี่ชั่วโมงไปจนถึงหลายสิบชั่วโมง ดังนั้นจึงมีความต้องการสูงในเรื่องความเสถียรในการทำงานระยะยาวของเลเซอร์ หากอุณหภูมิสูงเกินไป ผงโลหะอาจไหม้มากเกินไปและอาจทำให้ชิ้นส่วนที่ขึ้นรูปอื่นๆ ละลายอีกครั้ง หากอุณหภูมิต่ำเกินไป ผงโลหะจะไม่ละลายอย่างสมบูรณ์ แรงยึดเกาะจะไม่เพียงพอ และรูปทรงของชิ้นส่วนที่ขึ้นรูปอาจไม่คงอยู่ ดังนั้นความเสถียรของกำลังไฟของเลเซอร์จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อคุณภาพการพิมพ์

02 คุณภาพลำแสงและขนาดจุด

คุณภาพของลำแสงและขนาดจุดเลเซอร์เป็นหนึ่งในพารามิเตอร์สำคัญที่สะท้อนถึงความแม่นยำในการพิมพ์ การพิมพ์ 3 มิติเกิดขึ้นจากการสแกนด้วยลำแสงเลเซอร์ ยิ่งจุดเลเซอร์เล็กเท่าไร ความแม่นยำในการสแกนก็จะยิ่งสูงขึ้น ความละเอียดของแบบจำลองที่พิมพ์ก็จะยิ่งสูงขึ้น และพื้นผิวของชิ้นส่วนที่พิมพ์ก็จะยิ่งละเอียดมากขึ้นเท่านั้น
คุณภาพของลำแสงมักถูกระบุด้วยค่า BPP หรือ M2 ยิ่งค่า M2 ใกล้เคียงกับ 1 มากเท่าไหร่ คุณภาพของลำแสงก็จะยิ่งดีขึ้น พลังงานเลเซอร์ก็จะยิ่งเข้มข้นมากขึ้น และผลกระทบจากความร้อนต่อบริเวณโดยรอบก็จะยิ่งน้อยลง ในขณะเดียวกัน คุณภาพของลำแสงที่ดีขึ้นก็จะทำให้มุมการกระจายตัวของลำแสงแคบลง และจุดโฟกัสก็จะเล็กลงด้วย

03 GW Laser Tech และ FASTFORM ร่วมกันสำรวจด้านการพิมพ์ 3 มิติ
GW Laser Tech ในฐานะผู้นำระดับโลกด้านเลเซอร์ไฟเบอร์ความสว่างสูง ได้สำรวจขอบเขตการใช้งานนี้อย่างจริงจังเช่นกัน ควบคู่ไปกับการเติบโตของ... เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติและเปิดตัวเลเซอร์ไฟเบอร์แบบต่อเนื่องโหมดเดี่ยว 500 วัตต์ 10μm/14μm สำหรับการใช้งานการพิมพ์ 3 มิติ โดยมุ่งเป้าไปที่อุปกรณ์ทางการแพทย์ ชิ้นส่วนยานยนต์ อวกาศ และสาขาอื่นๆ

ในบรรดาตัวเลือกเหล่านั้น ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางแกนกลางที่แตกต่างกันระหว่าง 10 ไมโครเมตรและ 14 ไมโครเมตร จะเป็นตัวกำหนดขนาดจุดเลเซอร์ ซึ่งส่งผลต่อความหนาแน่นของพลังงานเลเซอร์เป็นหลัก กล่าวคือ ปริมาณพลังงานแสงต่อหน่วยพื้นที่ ภายใต้เงื่อนไขกำลังไฟฟ้าที่เท่ากัน ยิ่งขนาดจุดเลเซอร์เล็กเท่าไร ความหนาแน่นของพลังงานเลเซอร์ก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น จุดเลเซอร์ที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูงเหมาะสำหรับการพิมพ์ผงโลหะที่มีจุดหลอมเหลวสูงหรือมีการสะท้อนแสงสูง

ข้อดีของผลิตภัณฑ์:

➢ ดีไซน์บางเฉียบและน้ำหนักเบา ขนาด 19 นิ้ว ความสูง 1.5U น้ำหนัก

➢ โครงสร้างของผลิตภัณฑ์ใช้การออกแบบแบบปิด มุ่งเน้นไปที่สภาพแวดล้อมการพิมพ์ 3 มิติ ช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือโดยรวมของเลเซอร์ได้อย่างมาก มีระดับการป้องกัน IP65 และสามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่องในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง เช่น อุณหภูมิสูง ความชื้นสูง และฝุ่นละอองสูง

➢ กำลังไฟสูงสุดคือ 500 วัตต์ ซึ่งเพียงพอสำหรับการขึ้นรูปวัสดุโลหะทั่วไป เช่น เหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนิติก เหล็กกล้าไร้สนิมมาร์เทนซิติก โลหะผสมไทเทเนียม โลหะผสมนิกเกิลทนความร้อนสูง โลหะผสมอะลูมิเนียม โลหะผสมแมกนีเซียม เป็นต้น

➢ เสถียรภาพด้านพลังงานดีเยี่ยม ความผันผวนต่อชั่วโมงน้อยกว่า 0.5% ช่วยให้กระบวนการพิมพ์ต่อเนื่องยาวนานเป็นพิเศษมีความสม่ำเสมอ

➢ คุณภาพลำแสงดีเยี่ยม, M2

FASTFORM (FastForm) เป็นบริษัทที่เชี่ยวชาญด้านการวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีและอุปกรณ์การพิมพ์ 3 มิติ และสามารถให้บริการการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็ว (Rapid Prototyping) และโซลูชันสนับสนุนชั้นนำ เราได้สร้างความร่วมมืออย่างลึกซึ้งกับ Guanghui Laser และจะดำเนินการทดลองและวิจัยการพิมพ์ 3 มิติในชิ้นส่วนสำคัญในด้านการบินและอวกาศ รถยนต์ การแพทย์ และอื่นๆ ในอนาคต เราได้เปิดตัวผลิตภัณฑ์เลเซอร์เดี่ยว FF-M140, รุ่นเฉพาะสำหรับการสอน FF-M150, รุ่นเลเซอร์คู่สำหรับงานทันตกรรม FF-M180D, รุ่นเลเซอร์กำลังสูง 1000W สำหรับงานอุตสาหกรรม FF-M300H, รุ่นเลเซอร์คู่ FF-M500 และผลิตภัณฑ์เลเซอร์สี่ตัว FF-M800 ซึ่งทั้งหมดนี้ผลิตในปริมาณมากและรองรับโซลูชันการปรับแต่งเฉพาะพื้นที่ เราได้พัฒนาซอฟต์แวร์ FastLayer สำหรับการตัดและสร้างเส้นทางด้วยเลเซอร์หลายตัว อุปกรณ์ทำงานอัตโนมัติและไม่ต้องมีผู้ควบคุมดูแล

ผลิตภัณฑ์นี้มีข้อดีที่สำคัญดังต่อไปนี้:

➢ เทคโนโลยีการกระจายผงแบบสองทิศทางและปรับความเร็วได้ ทำให้ใช้ผงได้อย่างมีประสิทธิภาพสูง

➢ ซอฟต์แวร์ที่พัฒนาขึ้นเองเพื่อทำการแบ่งส่วนและวางแผนเส้นทางโดยอัตโนมัติด้วยการคลิกเพียงครั้งเดียว

➢ มาพร้อมกล้องในตัว ซึ่งสามารถควบคุมอัตโนมัติได้อย่างสมบูรณ์และใช้งานได้โดยไม่ต้องมีผู้ดูแลจากระยะไกล

➢ อุปกรณ์นี้ใช้โครงสร้างการเชื่อมแบบรวม ซึ่งมีความเสถียรสูงและติดตั้งง่าย

สถานะปัจจุบันและแนวโน้มการพัฒนาของอุตสาหกรรมการพิมพ์ 3 มิติ
ปัจจุบัน เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติได้เข้าสู่ยุคของการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วแล้ว จากสถิติของสถาบันวิจัยอุตสาหกรรมธุรกิจแห่งประเทศจีน พบว่า อุตสาหกรรมเครื่องจักรมีสัดส่วนการใช้งานปลายทางมากที่สุดในปี 2021 คิดเป็น 17.5% รองลงมาคือ เครื่องใช้ไฟฟ้า (16.6%) และรถยนต์ (16.1%) ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของเครื่องใช้ไฟฟ้าและอุตสาหกรรมยานยนต์ ขอบเขตการใช้งานของการพิมพ์ 3 มิติในสองสาขานี้จะขยายตัวมากขึ้นในอนาคต

ในแง่ของขนาดอุตสาหกรรม จากการคาดการณ์ของเครือข่ายการลงทุนของจีน อัตราการเติบโตเฉลี่ยต่อปีแบบทบต้นของการพิมพ์ 3 มิติ ตั้งแต่ปี 2021 ถึง 2025 จะอยู่ที่ประมาณ 26.59% และจะแตะระดับ 70.1 พันล้านหยวนในปี 2025

การพิมพ์ 3 มิติครอบคลุมสามด้าน ได้แก่ อุปกรณ์ วัสดุ และบริการ ซึ่งอุปกรณ์การพิมพ์มีส่วนแบ่งมากที่สุด จากข้อมูลที่เผยแพร่โดย CCID พบว่า อุตสาหกรรมอุปกรณ์การพิมพ์ 3 มิติของจีนในปี 2020 มีมูลค่า 9.254 พันล้านหยวน คิดเป็นสัดส่วนที่ใหญ่ที่สุด

ปัจจุบัน ราคาอุปกรณ์การพิมพ์ 3 มิติยังค่อนข้างสูง ส่วนหนึ่งเป็นเพราะสิทธิบัตรและการผูกขาดจากต่างประเทศ อีกส่วนหนึ่งเป็นเพราะอุตสาหกรรมการพิมพ์ 3 มิติของประเทศเริ่มต้นช้า ความต้องการมีน้อย และระดับความเป็นอิสระต่ำ แต่ด้วยการยกระดับและพัฒนาอุตสาหกรรมการผลิตระดับสูงของประเทศ การพัฒนาเทคโนโลยี และการลดต้นทุน อุตสาหกรรมการพิมพ์ 3 มิติของประเทศจะแสดงแนวโน้มการผลิตในประเทศเพิ่มมากขึ้นในอนาคต ความร่วมมืออย่างใกล้ชิดระหว่างผู้ผลิตอุปกรณ์จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการส่งเสริมการพัฒนาเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติในวงกว้าง

บริษัท Guanghui Laser ไม่เพียงแต่ให้ความสำคัญกับการวิจัยและนวัตกรรมเทคโนโลยีผลิตภัณฑ์เลเซอร์เท่านั้น แต่ยังคงสำรวจและพัฒนาเทคโนโลยีการประมวลผลด้วยเลเซอร์อย่างต่อเนื่อง และมุ่งมั่นที่จะช่วยเหลือลูกค้าในการแก้ปัญหาการใช้งาน ในฐานะผู้ผลิตอุปกรณ์การพิมพ์ 3 มิติชั้นนำของประเทศ FASTFORM มีความคุ้นเคยกับทุกแง่มุมของการพิมพ์ 3 มิติ และมีทีมที่ปรึกษาที่มีประสบการณ์เพื่อมอบผลิตภัณฑ์ระดับไฮเอนด์ระดับมืออาชีพแก่ลูกค้าในด้านการพิมพ์ 3 มิติ ในอนาคต Guanghui Laser จะร่วมมือกับ FASTFORM เพื่อส่งเสริมการประยุกต์ใช้และการพัฒนาเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติด้วยเลเซอร์ในประเทศจีน และช่วยยกระดับอุตสาหกรรม ที่มา: Guanghui Laser ผู้เขียน: วิศวกรด้านการประยุกต์ใช้งาน Gu Jiaxing