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3D打印

光惠激光掌握工业密码,光纤激光器应用于金属3D打印

hth官方来源:光惠激光2022-02-23我要评论(0)

激光3D打印基本原理金属材料的增材制造(3D打印)工艺在航空、航天、航海、车辆、模具制造、医疗器械等领域的需求巨大。目前,应用于金属增材制造工艺的热源有激光束、...

激光3D打印基本原理


金属材料的增材制造(3D打印)工艺在航空、航天、航海、车辆、模具制造、医疗器械等领域的需求巨大。目前,应用于金属增材制造工艺的热源有激光束、电子束、微束等离子三大高能束及烧结热输入等,其中的激光束是金属增材制造领域应用最广泛的高能束热源。与电子束、微束等离子热源相比,激光束具有光斑细、成本低、可定向作用到指定材料位置等优点,可实现金属材料的瞬间熔凝,满足熔道搭接和零件成形的要求。

激光3D打印使用的激光器有光纤激光器、半导体激光器、Nd:YAG激光器和CO2激光器。不同材料对不同波长的激光吸收不同。通常,打印聚合物以CO2激光器为主,而金属粉末的3D打印主要使用光纤激光器。
根据加工方式的不同,激光增材制造可分为选择性激光烧结、选择性激光熔化、直接金属激光烧结、激光粉末沉积、直接金属沉积等等。其中,选择性激光熔化(SLM)是目前使用最广泛的金属激光3D打印技术之一。
选择性激光熔化(SLM)打印设备的基本结构如图所示。打印之前,要先对3D模型进行分层处理,然后确定扫描轨迹。第一步,用刮刀均匀地刮过工作台,在上面铺一层粉末;第二步,用激光在这层粉末上扫描特定轨迹让其熔化,实现一层的打印;第三步,将工作台往下移动一层,然后循环上述操作,使打印层从下往上堆叠起来,这样就形成了所要打印的3D零件。为了防止氧化,整个过程要对工作舱抽除空气并充入惰性气体。

▲ SLM打印设备基本原理


激光3D打印对激光器的需求

激光3D打印对激光器的需求主要体现在两个方面:一方面是功率与功率稳定性,另一方面是光束质量及光斑大小。
(1)功率与功率稳定性
3D打印成形过程主要靠的是激光的热效应,激光强度必须超过一定的能量阈值才能使材料熔化,因此更关注激光器平均输出功率,对于激光器的脉冲模式不敏感,因此通常使用连续光纤激光器,功率大致分布在100W~1000W之间。
模型越大,层数越多,打印时间越长。一般持续时间在几个小时到几十个小时。所以,对于激光器长时间稳定运行提出了很高的要求。如果温度偏高,金属粉末可能会过烧、甚至会导致其他已成形的部分重熔;温度偏低,金属粉末熔化不彻底,粘合力不够,成形构件形状就可能保持不住。因此,激光器的功率稳定性对于打印质量至关重要。
(2)光束质量及光斑大小
光束质量和光斑大小体现打印精度的关键参数之一。3D打印是通过激光束扫描成形的,激光的光斑越小,扫描的精度就越高,打印出来的模型分辨率就越高,肉眼可见的就是打印件表面越细腻。
光束质量通常以BPP或M2来表征,M2越接近1,表明光束质量越好,激光能量越集中,对周围的热影响越小;同时,光束质量越好,对应的发散角度越小,聚焦出来的光斑也会相应更小。

光惠激光与美光速造在3D打印领域的探索

光惠激光(GW Laser Tech)作为全球高亮度光纤激光器领先者,随着3D打印技术的兴起,也在这一应用领域积极探索,推出了针对3D打印应用的500W单模10μm/14μm连续光纤激光器,面向医疗器械、汽车零部件、航空航天等领域。
其中,10μm和14μm不同芯径大小决定了光斑大小,主要影响激光功率密度,即单位面积的光能量大小,同等功率条件下,光斑尺寸越小,激光功率密度越大,高功率密度光斑适宜打印高熔点或者高反射的金属粉末。

▲ 光惠激光500W单模10μm光纤激光器
产品优势:
➢ 超薄、轻量化设计,19寸1.5U高度设计,重量<20kg,结构紧凑、体积小、重量轻,赋予无与伦比的集成便利性和灵活多用性。
➢ 产品结构采用密闭设计,针对3D打印使用环境,大幅度提高激光器整体的可靠性,IP65防护等级,可持续在高温、高湿、高粉尘等恶劣环境中运行。
➢ 最大功率500W,足可以成形奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、钛合金、镍基高温合金、铝合金、镁合金等常用金属材料。
➢ 功率稳定性好,每小时波动<0.5%,保证超长时间打印的工艺一致性。
➢ 光束质量好,M2<1.1,单模10/14μm光纤输出,输出光斑小,打印精度高。

美光速造(FastForm)是一家专门研究与开发3D打印技术及装备的企业,能够提供顶尖的快速成型服务与配套解决方案。现已与光惠激光建立了深入合作,未来将在航空航天、汽车模型、生物医疗等领域关键零部件进行3D打印试验及研究。推出FF-M140单激光产品,FF-M150教学专用机型,FF-M180D双激光口腔专用机型,FF-M300H 1000W高功率激光工业机型,FF-M500双激光机型,FF-M800四激光产品,并全部实现批量生产,支持定制国产化方案。自主开发多激光切片和路径生成软件FastLayer。设备完全实现全自动控制,无人值守操作。

▲ 美光速造FF-M180D双激光金属3D打印机
该产品具有如下显著优势:
➢ 双向及变速铺粉技术,粉末利用率高。
➢ 自主开发软件,一键完成自动切片与路径规划。
➢ 自带摄像头,可远程实现全自动控制、无人值守操作。
➢ 设备采用一体化焊接结构,稳定性强,安装方便

▲ 美光速造FF-M180D配合光惠500W激光器3D打印产品

3D打印产业现状及发展前景


目前,3D打印已经进入了快速成型的时代,根据中商产业研究院的统计数据显示,2021年下游应用领域中机械行业占比最多,达17.5%,其次为消费电子(16.6%)和汽车(16.1%)。随着消费电子和汽车工业的快速发展,未来3D打印在这两个领域中的应用领域将进一步扩大。

在产业规模方面,按照中投网的预计:2021-2025年3D打印的年均复合增长率约为26.59%,2025年将达到701亿元。

3D打印涵盖设备、材料以及服务三个方面,其中打印设备占大头。根据CCID发布的数据显示,2020年中国3D打印设备产业规模92.54亿元,占比最高。

目前3D打印设备的价格还相对较高,一方面源于国外的专利和垄断,另一方面是因为我国3D产业起步晚,需求量少,自主化程度低。随着我国高端制造业的升级发展、技术的发展和成本的下降,未来我国3D打印行业将会呈现国产化程度越来越高的趋势。设备制造商之间的紧密合作对推动3D打印技术的规模化发展至关重要。
光惠激光不仅专注激光产品技术的研究和创新,同时在激光加工工艺领域不断探索,并致力于帮助客户解决应用上的难题。美光速造作为一家国内领先的3D打印设备厂商,熟悉3D打印的各个环节,同时具有经验丰富的咨询顾问团队,为客户提供专业的3D打印领域的高端产品。未来,光惠激光将携手美光速造一起推动激光3D打印技术在国内的应用和发展,助力产业升级。

作者:光惠HTH登陆入口网页 工程师·顾佳星



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