Как лазерные волокна открывают 3D-печать металла? Открытие высокомощных технологий

Когда дело доходит до 3D-печать , вы, возможно, видели пластиковые игрушки или фигурки из смолы, но знаете ли вы, что с помощью "лазеров" теперь можно напечатать за один раз даже детали из титанового сплава для аэрокосмической промышленности и индивидуальные зубные импланты в медицинской сфере? В основе этого лежит ключевая технология — мощные волоконные лазеры. Почему они могут стать "сердцем" технологии 3D-печать металлов ? И как они обеспечивают баланс между высокой мощностью и высокой точностью? Сегодня давайте исследуем интегрированный мир волоконных лазеров и 3D-печати, разберём ключевые технологии.

I. Волоконный лазер + 3D-печать: переосмысление производства металлических деталей

Традиционная обработка металлов основана на использовании форм и резки. Сложные конструкции зачастую требуют нескольких этапов сборки, что отнимает много времени и приводит к значительным потерям материала (коэффициент использования материала при традиционной резке составляет менее 30%). Волоконная лазерная 3D-печать (на примере селективного лазерного плавления, SLM) полностью опровергает эту модель — она использует металлический порошок в качестве исходного материала, а мощный волоконный лазер постепенно расплавляет порошок по заданному пути. После охлаждения слои накладываются друг на друга, образуя трёхмерную деталь. Весь процесс не требует использования форм, напоминая «рисование светом на металлическом порошке, нанесение нового слоя порошка после каждого прохода и последующее накопление до получения готового изделия».

Преимущества этой технологии обеспечиваются волоконными лазерами высокой мощности: они излучают лазерные лучи исключительно высокого качества с малыми углами расходимости и равномерными пятнами (минимальный размер пятна до 0,1 мм), что позволяет точно воспроизводить мелкие структуры деталей, такие как сложные каналы потока в лопатках турбин или точные зубья шестерён. В то же время их мощность регулируется в широком диапазоне (от сотен ватт до нескольких киловатт), что позволяет обрабатывать металлические листы толщиной всего 0,1 мм и плавить нержавеющие стальные пластины толщиной до 50 мм. Что ещё важнее, волоконные лазеры обладают электрооптическим КПД 25%–30%, а отвод тепла у них значительно превосходит традиционные YAG-лазеры. Даже при длительных сессиях печати перегрев не влияет на точность, что делает их идеальными для аэрокосмической, медицинской и других отраслей, где предъявляются строгие требования к качеству деталей.

II. От лаборатории к производству: реальные применения 3D-печати волоконными лазерами

Сегодня волоконный лазерный 3D-печать перешел от технической концепции к применению в нескольких высокотехнологичных областях, решая задачи, с которыми традиционные методы обработки не могли справиться, и становясь «новым инструментом» для высокотехнологичного производства.

В аэрокосмической промышленности Университет Пекина использовал волоконную лазерную 3D-печать для изготовления крупных основных несущих деталей из титанового сплава для самолетов, уменьшив массу деталей на 30%, при этом увеличив прочность на 15%. Северо-Западный политехнический университет даже напечатал фланец центрального крыла для крупного китайского самолета C919, сломав иностранную технологическую монополию и освободив китайское авиастроительство от зависимости от импортных форм.

В здравоохранении индивидуальные зубные импланты и искусственные суставы могут быть «произведены по требованию» с помощью 3D-печати волоконным лазером. На основе данных КТ пациента лазер точно контролирует зону плавления порошка титанового сплава, обеспечивая идеальную подгонку импланта к альвеолярной кости, снижая хирургические риски и сокращая продолжительность лечения (традиционные индивидуальные импланты изготавливаются за 1 месяц, а при помощи лазерной 3D-печати — всего за 3 дня).

В автомобильном производстве традиционные процессы не позволяют создавать сложные внутренние структуры каналов охлаждения головки блока цилиндров, тогда как волоконная лазерная 3D-печать формирует их за одну операцию, повышая эффективность охлаждения на 20 %, уменьшая вес детали и способствуя облегчению конструкции автомобиля для снижения энергопотребления.

III. Перспективы: волоконная лазерная 3D-печать станет ещё «мощнее»

В настоящее время волоконные лазеры высокой мощности могут обеспечивать непрерывный выходной сигнал 2 кВт от одного волокна, а технология объединения нескольких волокон позволяет превысить мощность в 10 кВт. Будущие обновления будут сосредоточены на двух направлениях:

С одной стороны, повышение точности — в сочетании с технологией фотонно-кристаллических волокон размер лазерного пятна может быть дополнительно уменьшен до 0,05 мм, что позволяет печатать микромасштабные детали, такие как сосудистые стенты, и удовлетворять более тонкие медицинские потребности.

С другой стороны, снижение стоимости — благодаря технологическим прорывам в области отечественных двойных световодов и полупроводниковых источников накачки стоимость производства волоконных лазеров снижается. Ожидается, что они получат распространение среди большего числа мелких и средних производителей, что позволит перевести металлическую 3D-печать с уровня «высококлассной индивидуальной настройки» на уровень «массового производства», например, для быстрого изготовления и ремонта автомобильных деталей и форм.

От крупных аэрокосмических компонентов до крошечных медицинских имплантов высокомощные волоконные лазеры переопределяют способы производства металлических деталей. Они не только делают обработку сложных конструкций более эффективной и точной, но и способствуют переходу производства к «зелёному и индивидуализированному» развитию. В будущем мы можем ожидать появления большего количества металлических деталей, изготовленных с помощью «печати волоконными лазерами», в повседневной жизни — индивидуальных тормозных колодок для автомобилей, бытовой фурнитуры и даже персонализированных металлических украшений.