Jak odemýká vláknový laser 3D tisk kovů? Odhalení technologií vysokého výkonu

Pokud jde o 3D tisk , možná jste viděli plastové hračky nebo figurky z pryskyřice, ale věděli jste, že díky „laserům“ lze nyní tisknout najednou i komponenty z titanové slitiny pro letecký průmysl a individuální zubní implantáty v medicíně? Základní silou tohoto procesu jsou výkonné vláknové lasery. Proč se mohou stát „hlavním pohonem“ tisk kovem 3D ? A jak dosahují rovnováhy mezi vysokým výkonem a vysokou přesností? Dnes pojďme prozkoumat integrovaný svět vláknových laserů a 3D tisku a rozebrat klíčové technologie.

I. Vláknový laser + 3D tisk: Předefinování výroby kovových dílů

Tradiční zpracování kovů závisí na formách a řezání. Komplexní konstrukce často vyžadují víceestupňové montážní procesy, které jsou časově náročné a vedou ke vzniku významných materiálových ztrát (využití materiálu při tradičním řezání je nižší než 30 %). 3D tisk pomocí vláknového laseru (reprezentovaný selektivním laserovým tavením, SLM) tento model zcela obrací – používá kovový prášek jako surovinu a silný vláknový laser tímto práškem taví po vrstvách podle předem stanovené dráhy. Po ochlazení se vrstvy navrství do trojrozměrné součástky. Celý proces nepotřebuje žádné formy a připomíná „kreslení světlem na kovovém prášku, po každé vrstvě se nanese nová vrstva prášku a nakonec se tak postupně vytvoří hotový výrobek.“

Výhody této technologie jsou podpořeny výkonnými vláknovými lasery: vyzařují laserové svazky extrémně vysoké kvality s malými úhly rozptylu a rovnoměrnými skvrnami (minimální velikost skvrny až 0,1 mm), což umožňuje přesné reprodukování jemných struktur dílů, jako jsou komplexní chladicí kanály v lopatkách turbín nebo přesné zuby ozubených kol. Zároveň je jejich výkon plynule regulovatelný v širokém rozsahu (od stovek wattů až po několik kilowattů), takže zvládnou materiál o tloušťce pouhých 0,1 mm i tavení nerezových plechů o tloušťce až 50 mm. Co je důležitější, vláknové lasery dosahují elektro-optické účinnosti 25–30 %, přičemž jejich odvod tepla je mnohem efektivnější než u tradičních YAG laserů. I při dlouhodobém provozu nedochází k přehřátí, které by negativně ovlivnilo přesnost, a jsou proto ideální pro odvětví jako letecký a kosmický průmysl, medicína a další obory s přísnými požadavky na kvalitu dílů.

II. Od laboratoře do praxe: Reálné aplikace 3D tisku s vláknovým laserem

Dnes se 3D tisk pomocí vláknového laseru posunul od technického konceptu do více vyspělých oblastí, kde řeší výzvy, které tradiční zpracování nebylo schopno překonat, a stává se tak „novým nástrojem“ pro vyspělou výrobu.

V leteckém průmyslu použila univerzita Pej-chang k výrobě velkých nosných dílů z titanové slitiny pro letadla 3D tisk pomocí vláknového laseru, čímž snížila hmotnost dílů o 30 % a zároveň zvýšila jejich pevnost o 15 %. Univerzita Severozápadní polytechnická dokonce vytiskla pásnice středního křídla pro čínské velké letadlo C919, čímž porazila zahraniční technologickou monopolizaci a osvobodila čínskou leteckou výrobu od závislosti na dovezených formách.

Ve zdravotnictví mohou být pomocí 3D tisku s vláknovým laserem „vyráběny na požádání“ individualizované zubní implantáty a umělé klouby. Na základě CT dat pacienta laser přesně ovládá rozsah tavení prášku z titanové slitiny, čímž zajišťuje dokonalé přilnutí implantátu k alveolární kosti, snižuje operační rizika a zkracuje léčebné cykly (tradiční individuální implantáty trvají 1 měsíc, zatímco 3D tisk s laserem trvá pouze 3 dny).

V automobilovém průmyslu tradiční procesy nedokážou vytvořit složité vnitřní struktury chladicích kanálků u motorové hlavy, avšak 3D tisk s vláknovým laserem je vyrobí najednou, čímž zvyšuje účinnost chlazení o 20 %, snižuje hmotnost dílu a přispívá k lehké konstrukci vozidel za účelem snížení spotřeby energie.

III. Budoucí výhled: Vláknový laserový 3D tisk bude ještě „silnější“

V současné době mohou výkonné vláknové lasery dosáhnout 2 kW spojitého výkonu z jediného vlákna a technologie vícevláknového svazkování může překročit 10 kW. Budoucí inovace se budou zaměřovat na dva směry:

Za prvé, vyšší přesnost – kombinací s technologií fotonických krystalických vláken lze laserovou stopu dále zmenšit na 0,05 mm, což umožňuje tisk mikroskopických dílů, jako jsou cévní stenty, a splňuje tak náročnější požadavky medicínské oblasti.

Za druhé, nižší náklady – díky technologickým průlomům v domácí výrobě dvojitě plášťovaných vláken a polovodičových čerpadel klesají výrobní náklady vláknových laserů. Očekává se jejich širší rozšíření mezi malé a střední výrobce, čímž se kovový 3D tisk posune od „luxusní individualizace“ ke „hromadné výrobě“, například rychlá výroba a oprava automobilových dílů a forem.

Od velkých leteckých komponentů až po malé lékařské implantáty představují výkonné vláknové lasery novou úroveň výroby kovových dílů. Nejenže zvyšují efektivitu a přesnost při zpracování složitých konstrukcí, ale také podporují směr výroby k „zelenému a personalizovanému“ rozvoji. V budoucnu můžeme očekávat stále více kovových dílů ve svém každodenním životě vyrobených pomocí „tisku s využitím vláknového laseru“ – personalizované brzdové destičky pro automobily, domácí kování nebo dokonce individuální kovové šperky.