Дослідження застосування волоконного лазера в 3D-друку металом

The Адитивний мануПроцес виготовлення (3D-друку) металевих матеріалів користується великим попитом у таких галузях, як авіація, аерокосмічна промисловість, навігація, транспортні засоби, виробництво прес-форм, медичне обладнання тощо. Наразі джерела тепла, що використовуються в процесі адитивного виробництва металу, включають три високоенергетичні промені, а саме лазерний промінь, електронний промінь та мікропроменеву плазму, а також підведення тепла спіканням. Серед них лазерний промінь є найпоширенішим високоенергетичним променевим джерелом тепла в галузі адитивного виробництва металу. Порівняно з джерелами тепла електронного та мікропроменевої плазми, лазерний промінь має переваги високої точковості, низької вартості та можливості спрямування у вказане положення матеріалу. Він може досягти миттєвого плавлення металевих матеріалів та задовольнити вимоги перекриття каналів розплаву та формування деталей.

Основні принципи лазерного 3D-друку

Лазери, що використовуються в лазерному 3D-друку, включають волоконні лазери, напівпровідникові лазери, Nd:YAG лазери та CO2 лазери. Різні матеріали по-різному поглинають лазери різної довжини хвилі. Зазвичай CO2 лазери використовуються для друку полімерів, тоді як волоконні лазери використовуються для друку металевих порошків.

Відповідно до різних методів обробки, лазерне адитивне виробництво можна розділити на селективне лазерне спікання, селективне лазерне плавлення, пряме лазерне спікання металу, лазерне порошкове осадження, пряме осадження металу тощо. Серед них селективне лазерне плавлення (SLM) є однією з найпоширеніших технологій 3D-друку металом за допомогою лазера.

Базова структура пристрою для селективного лазерного плавлення (SLM) показана на рисунку. Перед друком 3D-модель необхідно нашарувати, а потім визначити траєкторію сканування. Перший крок – рівномірно зіскребти робочий стіл скребком і розподілити по ньому шар порошку; другий крок – сканувати певну траєкторію цього шару порошку лазером, щоб розплавити його та надрукувати шар; третій крок – перемістити робочий стіл на один шар вниз, а потім повторити вищезазначену операцію, щоб укласти шари друку знизу вгору, формуючи таким чином 3D-деталь, яку потрібно надрукувати. Щоб запобігти окисленню, робочу камеру необхідно вакуумувати та заповнювати інертним газом протягом усього процесу.

Попит на лазери в лазерному 3D-друку
Попит на лазери в лазерному 3D-друку головним чином відображається у двох аспектах: з одного боку, потужність та стабільність потужності, а з іншого боку, якість променя та розмір плями.

01 Потужність та стабільність живлення

Процес 3D-друку в основному спирається на тепловий ефект лазера. Інтенсивність лазера повинна перевищувати певний енергетичний поріг, щоб розплавити матеріал. Тому він більше уваги приділяється середній вихідній потужності лазера і не чутливий до імпульсного режиму лазера. Тому зазвичай використовуються безперервні волоконні лазери, потужність яких приблизно розподіляється між 100 Вт і 1000 Вт.
Чим більша модель і чим більше шарів, тим довший час друку. Тривалість зазвичай становить від кількох годин до десятків годин. Тому до довготривалої стабільної роботи лазера пред'являються високі вимоги. Якщо температура занадто висока, металевий порошок може перегоріти та навіть призвести до переплавлення інших сформованих деталей; якщо температура занадто низька, металевий порошок не повністю розплавиться, сила з'єднання недостатня, і форма сформованого компонента може не зберегтися. Тому стабільність потужності лазера має вирішальне значення для якості друку.

02 Якість променя та розмір плями

Якість променя та розмір плями є одними з ключових параметрів, що відображають точність друку. 3D-друк здійснюється за допомогою лазерного сканування. Чим менша лазерна пляма, тим вища точність сканування, тим вища роздільна здатність друкованої моделі та тим делікатніша поверхня друкованої деталі.
Якість променя зазвичай характеризується BPP або M2. Чим ближче M2 до 1, тим краща якість променя, тим концентрованіша лазерна енергія та менший тепловий вплив на навколишню область; водночас, чим краща якість променя, тим менший відповідний кут розбіжності та меншою буде сфокусована пляма.

03 Дослідження GW Laser Tech та FASTFORM у сфері 3D-друку
GW Laser Tech, як світовий лідер у виробництві високояскравих волоконних лазерів, також активно досліджує цю галузь застосування з розвитком Технологія 3D-друку, та запустила одномодовий волоконний лазер безперервної дії потужністю 500 Вт з довжиною хвилі 10 мкм/14 мкм для 3D-друку, орієнтований на медичні пристрої, автомобільні деталі, аерокосмічну та інші галузі.

Серед них різні діаметри серцевини 10 мкм та 14 мкм визначають розмір плями, що головним чином впливає на щільність потужності лазера, тобто кількість світлової енергії на одиницю площі. За однакових умов потужності, чим менший розмір плями, тим більша щільність потужності лазера. Плями з високою щільністю потужності підходять для друку металевих порошків з високими температурами плавлення або високим коефіцієнтом відбиття.

Переваги продукту:

➢ Ультратонкий та легкий дизайн, висота 19 дюймів (1,5U), вага

➢ Конструкція виробу має закриту конструкцію, призначену для використання в середовищі 3D-друку, що значно підвищує загальну надійність лазера, рівень захисту IP65 та дозволяє безперервно працювати в складних умовах, таких як висока температура, висока вологість та високий рівень запиленості.

➢ Максимальна потужність становить 500 Вт, чого достатньо для обробки поширених металевих матеріалів, таких як аустенітна нержавіюча сталь, мартенситна нержавіюча сталь, титановий сплав, нікелевий високотемпературний сплав, алюмінієвий сплав, магнієвий сплав тощо.

➢ Гарна стабільність живлення, коливання за годину

➢ Гарна якість променя, M2

FASTFORM (FastForm) – це компанія, що спеціалізується на дослідженнях та розробках технологій та обладнання для 3D-друку, і може надавати найкращі послуги швидкого прототипування та допоміжні рішення. Ми встановили глибоку співпрацю з Guanghui Laser і в майбутньому проводитимемо експерименти з 3D-друком та дослідження ключових деталей у галузях аерокосмічної промисловості, автомобільних моделей, біомедицини тощо. Ми випустили продукти FF-M140 з одним лазером, моделі FF-M150 для навчання, моделі FF-M180D з двома лазерами для стоматології, промислові моделі FF-M300H потужністю 1000 Вт з потужним лазером, моделі FF-M500 з двома лазерами та продукти FF-M800 з чотирма лазерами, і всі вони виробляються серійно та підтримують індивідуальні рішення для локалізації. Ми самостійно розробили FastLayer, програмне забезпечення для багатолазерного нарізання та генерації шляхів. Обладнання повністю автоматичне та не потребує обслуговування.

Цей продукт має такі суттєві переваги:

➢ Технологія двонаправленого та змінного швидкісного розподілу порошку, високий коефіцієнт використання порошку.

➢ Незалежно розроблене програмне забезпечення для автоматичного нарізання та планування шляху одним клацанням миші.

➢ Поставляється з власною камерою, яка може здійснювати повністю автоматичне керування та дистанційну роботу без нагляду.

➢ Обладнання використовує інтегровану зварювальну конструкцію, яка є дуже стабільною та легкою в установці.

Поточний стан та перспективи розвитку індустрії 3D-друку
Наразі 3D-друк вступив в еру швидкого прототипування. Згідно зі статистикою Китайського науково-дослідного інституту бізнес-індустрії, у 2021 році машинобудівна галузь займала найбільшу частку галузей подальшого застосування, досягнувши 17,5%, далі йдуть побутова електроніка (16,6%) та автомобілі (16,1%). Зі швидким розвитком побутової електроніки та автомобільної промисловості, сфери застосування 3D-друку в цих двох галузях будуть ще більше розширюватися в майбутньому.

Що стосується масштабів галузі, то, згідно з прогнозом China Investment Network, середньорічний сукупний темп зростання 3D-друку з 2021 по 2025 рік становитиме близько 26,59% і досягне 70,1 мільярда юанів у 2025 році.

3D-друк охоплює три аспекти: обладнання, матеріали та послуги, серед яких найбільшу частку займає друкарське обладнання. Згідно з даними, опублікованими CCID, масштаб індустрії 3D-друкарського обладнання в Китаї у 2020 році становив 9,254 мільярда юанів, що становить найбільшу частку.

Наразі ціна на обладнання для 3D-друку все ще залишається відносно високою. З одного боку, це пов'язано з іноземними патентами та монополіями. З іншого боку, це пов'язано з тим, що 3D-індустрія моєї країни розпочалася пізно, попит невеликий, а ступінь автономії низький. З модернізацією та розвитком високоякісної обробної промисловості моєї країни, розвитком технологій та зниженням витрат, індустрія 3D-друку моєї країни в майбутньому демонструватиме тенденцію до зростання локалізації. Тісна співпраця між виробниками обладнання має вирішальне значення для сприяння масштабному розвитку технології 3D-друку.

Компанія Guanghui Laser не лише зосереджується на дослідженнях та інноваціях у сфері технології лазерної продукції, але й продовжує дослідження в галузі технології лазерної обробки та прагне допомагати клієнтам вирішувати проблеми їхнього застосування. Як провідний вітчизняний виробник обладнання для 3D-друку, FASTFORM знайома з усіма аспектами 3D-друку та має досвідчену команду консультантів, щоб надавати клієнтам професійні високоякісні продукти в галузі 3D-друку. У майбутньому Guanghui Laser співпрацюватиме з FASTFORM для просування застосування та розвитку технології лазерного 3D-друку в Китаї та сприяння модернізації галузі. Джерело: Guanghui Laser Автор: Інженер-застосунок Гу Цзясін