Nghiên cứu ứng dụng laser sợi quang trong in 3D kim loại

Cái Nhà sản xuất phụ giaCông nghệ chế tạo (in 3D) vật liệu kim loại đang có nhu cầu rất lớn trong các lĩnh vực hàng không, vũ trụ, hàng hải, ô tô, chế tạo khuôn mẫu, thiết bị y tế, v.v. Hiện nay, các nguồn nhiệt được sử dụng trong quy trình sản xuất bồi đắp kim loại bao gồm ba loại chùm tia năng lượng cao, đó là chùm tia laser, chùm tia điện tử và plasma vi mô, cũng như nhiệt lượng thiêu kết. Trong đó, chùm tia laser là nguồn nhiệt chùm tia năng lượng cao được sử dụng rộng rãi nhất trong lĩnh vực sản xuất bồi đắp kim loại. So với nguồn nhiệt chùm tia điện tử và plasma vi mô, chùm tia laser có ưu điểm là điểm chiếu nhỏ, chi phí thấp và có thể được định hướng đến vị trí vật liệu cụ thể. Nó có thể đạt được sự nóng chảy tức thời của vật liệu kim loại và đáp ứng các yêu cầu về sự chồng lấp kênh nóng chảy và tạo hình chi tiết.

Nguyên lý cơ bản của in 3D bằng laser

Các loại laser được sử dụng trong in 3D bằng laser bao gồm laser sợi quang, laser bán dẫn, laser Nd:YAG và laser CO2. Các vật liệu khác nhau hấp thụ laser có bước sóng khác nhau theo những cách khác nhau. Thông thường, laser CO2 được sử dụng để in polymer, trong khi laser sợi quang được sử dụng để in bột kim loại.

Theo các phương pháp xử lý khác nhau, công nghệ sản xuất bồi đắp bằng laser có thể được chia thành thiêu kết laser chọn lọc, nóng chảy laser chọn lọc, thiêu kết laser kim loại trực tiếp, lắng đọng bột laser, lắng đọng kim loại trực tiếp, v.v. Trong đó, nóng chảy laser chọn lọc (SLM) là một trong những công nghệ in 3D laser kim loại được sử dụng rộng rãi nhất.

Hình vẽ thể hiện cấu trúc cơ bản của thiết bị in bằng phương pháp nung chảy laser chọn lọc (SLM). Trước khi in, mô hình 3D phải được xếp lớp và sau đó phải xác định quỹ đạo quét. Bước đầu tiên là dùng gạt phẳng bề mặt bàn làm việc và trải đều một lớp bột lên đó; bước thứ hai là dùng laser quét một quỹ đạo cụ thể trên lớp bột này để làm tan chảy và in một lớp; bước thứ ba là di chuyển bàn làm việc xuống một lớp, sau đó lặp lại thao tác trên để xếp chồng các lớp in từ dưới lên trên, tạo thành chi tiết 3D cần in. Để ngăn ngừa quá trình oxy hóa, buồng làm việc phải được hút chân không và nạp khí trơ trong suốt quá trình.

Nhu cầu về laser trong in 3D bằng laser
Nhu cầu về laser trong in 3D bằng laser chủ yếu thể hiện ở hai khía cạnh: một mặt là công suất và độ ổn định công suất, mặt khác là chất lượng chùm tia và kích thước điểm chiếu.

01 Nguồn điện và độ ổn định nguồn điện

Quá trình in 3D chủ yếu dựa vào hiệu ứng nhiệt của tia laser. Cường độ laser phải vượt qua một ngưỡng năng lượng nhất định để làm tan chảy vật liệu. Do đó, người ta chú trọng hơn đến công suất đầu ra trung bình của laser và không quá nhạy cảm với chế độ xung của laser. Vì vậy, laser sợi quang liên tục thường được sử dụng, và công suất phân bố trong khoảng từ 100W đến 1000W.
Mô hình càng lớn và càng nhiều lớp thì thời gian in càng lâu. Thời gian in thường từ vài giờ đến hàng chục giờ. Do đó, yêu cầu rất cao đối với hoạt động ổn định lâu dài của laser. Nếu nhiệt độ quá cao, bột kim loại có thể bị cháy quá mức và thậm chí gây ra hiện tượng chảy lại các bộ phận khác; nếu nhiệt độ quá thấp, bột kim loại không tan chảy hoàn toàn, lực liên kết không đủ, và hình dạng của chi tiết được tạo hình có thể không được duy trì. Vì vậy, độ ổn định công suất của laser rất quan trọng đối với chất lượng in.

02 Chất lượng chùm tia và kích thước điểm

Chất lượng chùm tia và kích thước điểm là một trong những thông số quan trọng phản ánh độ chính xác của quá trình in. In 3D được tạo ra bằng cách quét chùm tia laser. Điểm laser càng nhỏ, độ chính xác quét càng cao, độ phân giải của mô hình in càng cao và bề mặt của chi tiết in càng tinh tế.
Chất lượng chùm tia thường được đặc trưng bởi BPP hoặc M2. M2 càng gần 1 thì chất lượng chùm tia càng tốt, năng lượng laser càng tập trung và hiệu ứng nhiệt lên vùng xung quanh càng nhỏ; đồng thời, chất lượng chùm tia càng tốt thì góc phân kỳ tương ứng càng nhỏ và điểm hội tụ càng nhỏ.

03 GW Laser Tech và FASTFORM cùng nhau khám phá lĩnh vực in 3D.
GW Laser Tech, với tư cách là công ty hàng đầu thế giới về laser sợi quang độ sáng cao, cũng đã tích cực khám phá lĩnh vực ứng dụng này cùng với sự phát triển của công nghệ laser sợi quang. Công nghệ in 3Dvà cho ra mắt laser sợi quang đơn mode liên tục 500W 10μm/14μm dành cho các ứng dụng in 3D, nhắm đến các thiết bị y tế, phụ tùng ô tô, hàng không vũ trụ và các lĩnh vực khác.

Trong đó, đường kính lõi khác nhau là 10μm và 14μm quyết định kích thước điểm, chủ yếu ảnh hưởng đến mật độ công suất laser, tức là lượng năng lượng ánh sáng trên một đơn vị diện tích. Trong cùng điều kiện công suất, kích thước điểm càng nhỏ thì mật độ công suất laser càng lớn. Các điểm có mật độ công suất cao thích hợp để in các loại bột kim loại có điểm nóng chảy cao hoặc độ phản xạ cao.

Ưu điểm của sản phẩm:

➢ Thiết kế siêu mỏng và nhẹ, màn hình 19 inch chiều cao 1.5U, trọng lượng

➢ Cấu trúc sản phẩm采用 thiết kế khép kín, hướng đến môi trường in 3D, giúp cải thiện đáng kể độ tin cậy tổng thể của laser, đạt chuẩn bảo vệ IP65 và có thể hoạt động liên tục trong môi trường khắc nghiệt như nhiệt độ cao, độ ẩm cao và nhiều bụi.

➢ Công suất tối đa là 500W, đủ để tạo hình các vật liệu kim loại thông thường như thép không gỉ austenit, thép không gỉ mactenit, hợp kim titan, hợp kim chịu nhiệt cao gốc niken, hợp kim nhôm, hợp kim magie, v.v.

➢ Độ ổn định điện năng tốt, dao động điện áp

➢ Chất lượng chùm tia tốt, M2

FASTFORM (FastForm) là công ty chuyên nghiên cứu và phát triển công nghệ và thiết bị in 3D, cung cấp dịch vụ tạo mẫu nhanh hàng đầu và các giải pháp hỗ trợ. Chúng tôi đã thiết lập hợp tác sâu rộng với Guanghui Laser và sẽ tiến hành các thí nghiệm và nghiên cứu in 3D trên các bộ phận quan trọng trong các lĩnh vực hàng không vũ trụ, mô hình ô tô, y sinh học, v.v. trong tương lai. Chúng tôi đã cho ra mắt các sản phẩm laser đơn FF-M140, mô hình chuyên dụng cho giảng dạy FF-M150, mô hình laser kép chuyên dụng cho nha khoa FF-M180D, mô hình công nghiệp laser công suất cao 1000W FF-M300H, mô hình laser kép FF-M500 và sản phẩm laser bốn FF-M800, tất cả đều được sản xuất hàng loạt và hỗ trợ các giải pháp bản địa hóa tùy chỉnh. Chúng tôi đã tự phát triển FastLayer, phần mềm tạo đường cắt và đường dẫn đa laser. Thiết bị hoàn toàn tự động và không cần người vận hành.

Sản phẩm này có những ưu điểm nổi bật sau:

➢ Công nghệ rải bột hai chiều và tốc độ thay đổi, tỷ lệ sử dụng bột cao.

➢ Phần mềm được phát triển độc lập giúp hoàn thành việc cắt lát tự động và lập kế hoạch đường đi chỉ với một cú nhấp chuột.

➢ Được trang bị camera riêng, cho phép điều khiển hoàn toàn tự động và vận hành từ xa mà không cần người giám sát.

➢ Thiết bị sử dụng cấu trúc hàn liền khối, có độ ổn định cao và dễ lắp đặt.

Hiện trạng và triển vọng phát triển của ngành công nghiệp in 3D
Hiện nay, công nghệ in 3D đã bước vào kỷ nguyên tạo mẫu nhanh. Theo thống kê từ Viện Nghiên cứu Công nghiệp Kinh doanh Trung Quốc, ngành công nghiệp cơ khí chiếm tỷ trọng lớn nhất trong các lĩnh vực ứng dụng hạ nguồn năm 2021, đạt 17,5%, tiếp theo là điện tử tiêu dùng (16,6%) và ô tô (16,1%). Với sự phát triển nhanh chóng của ngành điện tử tiêu dùng và công nghiệp ô tô, các lĩnh vực ứng dụng của in 3D trong hai lĩnh vực này sẽ còn được mở rộng hơn nữa trong tương lai.

Về quy mô ngành, theo dự báo của China Investment Network: tốc độ tăng trưởng kép hàng năm bình quân của ngành in 3D từ năm 2021 đến năm 2025 sẽ đạt khoảng 26,59%, và sẽ đạt 70,1 tỷ nhân dân tệ vào năm 2025.

Công nghệ in 3D bao gồm ba khía cạnh: thiết bị, vật liệu và dịch vụ, trong đó thiết bị in chiếm tỷ trọng lớn nhất. Theo số liệu do CCID công bố, quy mô ngành công nghiệp thiết bị in 3D của Trung Quốc năm 2020 đạt 9,254 tỷ nhân dân tệ, chiếm tỷ trọng lớn nhất.

Hiện nay, giá thành thiết bị in 3D vẫn còn tương đối cao. Một mặt, đó là do bằng sáng chế và độc quyền của nước ngoài. Mặt khác, đó là do ngành công nghiệp in 3D của nước ta phát triển muộn, nhu cầu còn nhỏ và mức độ tự chủ thấp. Với sự nâng cấp và phát triển của ngành công nghiệp sản xuất cao cấp trong nước, sự phát triển của công nghệ và việc giảm chi phí, ngành công nghiệp in 3D của nước ta sẽ có xu hướng nội địa hóa ngày càng tăng trong tương lai. Sự hợp tác chặt chẽ giữa các nhà sản xuất thiết bị là rất quan trọng để thúc đẩy sự phát triển quy mô lớn của công nghệ in 3D.

Công ty Guanghui Laser không chỉ tập trung vào nghiên cứu và đổi mới công nghệ sản phẩm laser mà còn tiếp tục khám phá lĩnh vực công nghệ gia công laser, và cam kết hỗ trợ khách hàng giải quyết các vấn đề ứng dụng. Là một nhà sản xuất thiết bị in 3D hàng đầu trong nước, FASTFORM am hiểu mọi khía cạnh của in 3D và có đội ngũ tư vấn giàu kinh nghiệm để cung cấp cho khách hàng các sản phẩm cao cấp chuyên nghiệp trong lĩnh vực in 3D. Trong tương lai, Guanghui Laser sẽ hợp tác với FASTFORM để thúc đẩy ứng dụng và phát triển công nghệ in 3D laser tại Trung Quốc và giúp nâng cấp ngành công nghiệp này. Nguồn: Guanghui Laser Tác giả: Kỹ sư ứng dụng Gu Jiaxing