Основи на лазерния 3D печат
Адитивното производство (3D печат) на метални материали е в голямо търсене в авиацията, космонавтиката, навигацията, превозните средства, производството на форми, медицинското оборудване и други области.Понастоящем източникът на топлина, използван в процеса на производство на метални добавки, включва три високоенергийни лъча от лазерен лъч, електронен лъч, микролъчева плазма и входяща топлина при синтероване и др., от които лазерният лъч е най-широко използваният високоенергиен лъчев топлинен източник в областта на производството на метални добавки.В сравнение с плазмения топлинен източник на електронен лъч и микролъч, лазерният лъч има предимствата на фино петно, ниска цена и насочено действие към определената позиция на материала, което може да реализира моменталното топене на метални материали и да отговори на изискванията за припокриване на канали за синтез и формоване на части.
Лазерите, използвани в лазерния 3D печат, включват фибролазери, полупроводникови лазери, Nd:YAG лазери и CO2 лазери.Различните материали абсорбират различни лазери с различна дължина на вълната.Като цяло печатащият полимер е основно CO2 лазери, докато 3D печатането на метални прахове използва главно влакнести лазери.Според различните методи на обработка, производството на лазерни добавки може да бъде разделено на селективно лазерно синтероване, селективно лазерно топене, директно метално лазерно синтероване, лазерно отлагане на прах, директно отлагане на метал и т.н.Сред тях, селективното лазерно топене (SLM) в момента е една от най-широко използваните технологии за 3D печат на метали.Основната структура на печатащо устройство за селективно лазерно топене (SLM) е показана на фигурата.Преди печат 3D моделът се наслоява и след това се определя траекторията на сканиране.Първата стъпка е да изстържете равномерно масата с шпатула и да поставите слой прах върху нея;втората стъпка, използвайте лазер за сканиране на специфична траектория върху този слой прах, за да го разтопите и да реализирате слой от печат;третата стъпка, преместете масата с един слой надолу и след това повторете горните операции, така че слоят за печат да е подреден отдолу нагоре, така че да се формират 3D частите, които ще бъдат отпечатани.За да се предотврати окисляването, целият процес включва извличане на въздух от работната камера и запълването й с инертен газ.
▲ Основни принципи на оборудването за печат SLM
Търсенето на лазери в лазерния 3D печат
Търсенето на лазери за лазерен 3D печат се отразява главно в два аспекта: от една страна, мощност и стабилност на мощността, от друга страна, качество на лъча и размер на петна.(1) Мощност и стабилност на мощността Процесът на формиране на 3D печат разчита главно на термичния ефект на лазера, интензитетът на лазера трябва да надвишава определен енергиен праг, за да се стопи материалът, така че се обръща повече внимание на средната изходна мощност на лазера, която не е чувствителен към импулсния режим на лазера, така че обикновено се използват лазери с непрекъснати влакна, а мощността е грубо разпределена между 100W и 1000W.Колкото по-голям е моделът, толкова повече слоеве има и толкова по-дълго е времето за печат.Общата продължителност варира от няколко часа до десетки часове.Поради това има високи изисквания за дългосрочна стабилна работа на лазерите.Ако температурата е висока, металният прах може да прегори или дори да причини повторно стопяване на други оформени части;температурата е ниска, металният прах не се разтопява напълно, адхезията не е достатъчна и формата на формования елемент може да не се запази.Следователно стабилността на мощността на лазера е от решаващо значение за качеството на печат.(2) Качество на лъча и размер на петна Качеството на лъча и размер на петна отразяват един от ключовите параметри на точността на печат.3D печатът се формира чрез сканиране с лазерен лъч, колкото по-малко е лазерното петно, толкова по-висока е точността на сканирането, толкова по-висока е разделителната способност на отпечатания модел и толкова по-деликатна е повърхността на отпечатаната част, видима с просто око.Масата на лъча обикновено се характеризира с BPP или M2, колкото по-близо е M2 до 1, което показва, че колкото по-добро е качеството на лъча, толкова по-концентрирана е лазерната енергия, толкова по-малко е въздействието върху околната топлина;в същото време, колкото по-добро е качеството на лъча, толкова по-малък е съответният ъгъл на отклонение и съответно фокусираното петно ще бъде по-малко.
GW Лазер и Fastform's Изследване в областта на 3D печата
GW Laser Tech, като световен лидер във високоярките лазери с влакна, с възхода на технологията за 3D печат, също проучва активно в тази област на приложение, пускайки 500W едномодов 10μm/14μm CW лазер с влакна за приложения за 3D печат, за медицински изделия, автомобилни части, космическо пространство и други области.Сред тях 10 μm и 14 μm различен диаметър на сърцевината определя размера на петното, което засяга главно плътността на лазерната мощност, тоест светлинната енергия на единица площ, при същите условия на мощност, колкото по-малък е размерът на петното, толкова по-голям е лазерът плътност на мощността, а петното с висока плътност на мощност е подходящо за печат на метален прах с висока точка на топене или силно отражение.
▲ GW лазер 500W едномодов 10μm влакнест лазерен продукт предимства:
➢ Изключително тънък, лек дизайн, 19 инча дизайн с височина 1,5U, тегло < 20 кг, компактна структура, малък размер, леко тегло, което дава несравнимо удобство при интегриране и гъвкава гъвкавост.
➢ Структурата на продукта приема затворен дизайн, което значително подобрява цялостната надеждност на лазера за среда за 3D печат, ниво на защита IP65 и може да продължи да работи в тежки среди като висока температура, висока влажност и голямо количество прах.
➢ Максималната мощност е 500 W, което е достатъчно за образуване на често използвани метални материали като аустенитна неръждаема стомана, мартензитна неръждаема стомана, титаниева сплав, суперсплав на базата на никел, алуминиева сплав, магнезиева сплав и т.н.
➢ Добра стабилност на мощността, колебания на час <0,5%, за да се гарантира последователност на процеса на ултра-дълъг печат.
➢ Добро качество на лъча, M2<1.1, изход от едномодово 10/14μm влакно, малко изходно петно, висока точност на печат.
FastForm е компания, специализирана в изследването и разработването на технологии и оборудване за 3D печат, която може да предостави първокласни услуги за бързо създаване на прототипи и поддържащи решения.Той е установил задълбочено сътрудничество с GW Laser и ще провежда тестове за 3D принтиране и изследвания на ключови компоненти в космическото пространство, автомобилните модели, биомедицината и други области в бъдеще.Пуснати FF-M140 единични лазерни продукти, FF-M150 специален модел за обучение, FF-M180D двоен лазерен орален специален модел, FF-M300H 1000W промишлен лазерен модел с висока мощност, FF-M500 двоен лазерен модел, FF-M800 четири лазерни продукта и всички те постигат масово производство, поддържат персонализирани решения за локализация.Независимо разработен софтуер за многолазерно нарязване и генериране на пътеки FastLayer.Оборудването е напълно автоматично контролирано и без надзор.▲ Двоен лазерен метален 3D принтер Mesothesonic за производство FF-M180D Този продукт има следните значителни предимства: ➢ Двупосочна и променлива скоростна технология за полагане на прах, високо използване на праха.➢ Независима разработка на софтуер, завършване с едно кликване на автоматично нарязване и планиране на пътя.➢ Вградена камера, може дистанционно да постигне напълно автоматично управление, работа без надзор.➢ Оборудването приема интегрирана заварена структура, със силна стабилност и лесен монтаж
▲ FASTFORM FF-M180D с продукти за лазерен 3D печат GW 500W
Текущата ситуация и перспективите за развитие на индустрията за 3D печат
Понастоящем 3D печатът навлезе в ерата на бързото създаване на прототипи, според статистиката на Китайския изследователски институт за търговска индустрия машинната индустрия в областта на приложения надолу по веригата представлява най-голям дял през 2021 г., достигайки 17,5%, следвана от потребителската електроника ( 16,6%) и автомобили (16,1%).С бързото развитие на потребителската електроника и автомобилната индустрия, областите на приложение на 3D печата в тези две области ще бъдат допълнително разширени в бъдеще.
По отношение на индустриалния мащаб, според прогнозата на CIC, средният годишен общ темп на растеж на 3D печата през 2021-2025 г. е около 26,59% и ще достигне 70,1 милиарда юана през 2025 г. 3D печатането обхваща три аспекта: оборудване, материали и услуги, от които печатащото оборудване представлява по-голямата част.Според данните, публикувани от CCID, мащабът на китайската индустрия за оборудване за 3D печат през 2020 г. е 9,254 милиарда юана, което представлява най-висок дял.В момента цената на оборудването за 3D печат все още е сравнително висока, от една страна, тя произхожда от чуждестранни патенти и монополи, от друга страна, тъй като 3D индустрията в Китай започна късно, търсенето е малко и степента на автономност е ниско.С надграждането и развитието на китайската производствена индустрия от висок клас, развитието на технологиите и спада на разходите, китайската индустрия за 3D печат ще покаже тенденция на нарастваща локализация в бъдеще.Тясното сътрудничество между производителите на устройства е от решаващо значение за стимулиране на мащаба на технологията за 3D печат.Guanghui Laser не само се фокусира върху изследванията и иновациите в технологията на лазерните продукти, но също така непрекъснато изследва в областта на технологията за лазерна обработка и се ангажира да помага на клиентите да решават проблеми с приложенията.Като водещ производител на оборудване за 3D печат в Китай, Micron Speed Manufacturing е запознат с всички аспекти на 3D печата и разполага с опитен екип от консултанти, за да предостави на клиентите продукти от висок клас в областта на професионалния 3D печат.В бъдеще Guanghui Laser ще работи с Us Light Speed Manufacturing за насърчаване на приложението и развитието на технологията за лазерен 3D печат в Китай и за подпомагане на промишленото надграждане.
Време на публикуване: 24 февруари 2022 г