ไฟเบอร์เลเซอร์ปลดล็อกการพิมพ์ 3 มิติโลหะได้อย่างไร? เปิดเผยเทคโนโลยีหลักกำลังสูง

เมื่อมันมาถึง การพิมพ์สามมิติ , คุณอาจเคยเห็นของเล่นพลาสติกหรือรูปปั้นเรซิน แต่คุณรู้หรือไม่ว่าชิ้นส่วนโลหะผสมไทเทเนียมสำหรับอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ รวมถึงข้อความทันตกรรมที่ออกแบบเฉพาะบุคคลในวงการแพทย์ สามารถพิมพ์ออกมาได้ในครั้งเดียวด้วย "เลเซอร์" ได้แล้ว ที่อยู่เบื้องหลังสิ่งนี้คือพลังหลักจากเลเซอร์ไฟเบอร์กำลังสูง ทำไมพวกมันถึงสามารถกลายเป็น "เครื่องยนต์หลัก" ของ metal 3d printing ? และพวกเขาจัดสมดุลระหว่างกำลังสูงและความแม่นยำสูงได้อย่างไร? วันนี้ เรามาสำรวจโลกที่ผสานกันของเลเซอร์ไฟเบอร์และการพิมพ์ 3 มิติ พร้อมทั้งเจาะลึกเทคโนโลยีหลักกัน

I. เลเซอร์ไฟเบอร์ + การพิมพ์ 3 มิติ: การกำหนดนิยามใหม่ของการผลิตชิ้นส่วนโลหะ

การแปรรูปโลหะแบบดั้งเดิมอาศัยแม่พิมพ์และการตัดโครงสร้างที่ซับซ้อนมักต้องใช้หลายขั้นตอนในการประกอบ ซึ่งใช้เวลานานและทำให้วัสดุสูญเสียไปอย่างมาก (อัตราการใช้วัสดุในการตัดแบบดั้งเดิมต่ำกว่า 30%) การพิมพ์ 3 มิติด้วยเลเซอร์ไฟเบอร์ (ที่เป็นตัวแทนโดย Selective Laser Melting, SLM) เปลี่ยนรูปแบบนี้อย่างสิ้นเชิง—โดยใช้ผงโลหะเป็นวัตถุดิบ และใช้เลเซอร์ไฟเบอร์กำลังสูงหลอมผงเป็นชั้นๆ ตามเส้นทางที่กำหนดไว้ล่วงหน้า หลังจากเย็นตัวแล้ว แต่ละชั้นจะซ้อนกันกลายเป็นชิ้นส่วนสามมิติ กระบวนการทั้งหมดไม่จำเป็นต้องใช้แม่พิมพ์ เหมือนกับ "การวาดด้วยแสงบนผงโลหะ โรยผงใหม่ทับในแต่ละชั้น แล้วซ้อนกันขึ้นมาจนได้ผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป"

ข้อได้เปรียบของเทคโนโลยีนี้ได้รับการสนับสนุนจากเลเซอร์ไฟเบอร์กำลังสูง: เลเซอร์เหล่านี้ปล่อยลำแสงเลเซอร์ที่มีคุณภาพสูงมาก มุมกระจายตัวแคบ และจุดโฟกัสมีความสม่ำเสมอมาก (ขนาดจุดต่ำสุดถึง 0.1 มม.) ซึ่งทำให้สามารถสร้างโครงสร้างชิ้นส่วนละเอียดได้อย่างแม่นยำ เช่น ช่องทางไหลเวียนที่ซับซ้อนในใบพัดเทอร์ไบน์ หรือฟันเฟืองที่ต้องการความแม่นยำสูง ในขณะเดียวกัน พลังงานของเลเซอร์สามารถควบคุมได้ในช่วงกว้าง (ตั้งแต่หลายร้อยวัตต์ไปจนถึงหลายกิโลวัตต์) สามารถใช้งานกับแผ่นโลหะบางเพียง 0.1 มม. และหลอมแผ่นสแตนเลสหนาได้ถึง 50 มม. ที่สำคัญยิ่งไปกว่านั้น เลเซอร์ไฟเบอร์มีประสิทธิภาพการแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นแสงอยู่ที่ 25%-30% โดยการระบายความร้อนดีกว่าเลเซอร์ YAG แบบดั้งเดิมมาก แม้จะพิมพ์ต่อเนื่องเป็นเวลานาน ก็ไม่ส่งผลต่อความแม่นยำจากการร้อนเกิน ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ การแพทย์ และสาขาอื่นๆ ที่มีข้อกำหนดเรื่องคุณภาพชิ้นส่วนอย่างเข้มงวด

II. จากห้องปฏิบัติการสู่อุตสาหกรรม: การประยุกต์ใช้งานจริงของระบบการพิมพ์ 3 มิติด้วยเลเซอร์ไฟเบอร์

วันนี้ การพิมพ์ 3D ด้วยเลเซอร์ใยได้ย้ายจากแนวคิดทางเทคนิคไปสู่หลายๆ ด้านที่มีความสูงสุด โดยแก้ปัญหาที่การประมวลผลแบบดั้งเดิมไม่สามารถแก้ไขได้ และปรากฏขึ้นเป็น "เครื่องมือใหม่" สําหรับการผลิตที่สูงสุด

ในด้านอากาศศาสตร์ มหาวิทยาลัยเบฮิงได้ใช้การพิมพ์ 3 มิติด้วยเลเซอร์ใยใย เพื่อผลิตส่วนประกอบตัวหลักที่บรรทุกภาระของเหล็กไทเทเนียมขนาดใหญ่สําหรับเครื่องบิน ลดน้ําหนักส่วน 30% ขณะที่เพิ่มความแข็งแรง 15% มหาวิทยาลัยพอลิเทคนิคนอร์ทเวสเทิร์น (Northwestern Polytechnical University) ได้พิมพ์แผ่นปีกกลางสําหรับเครื่องบินขนาดใหญ่ C919 ของจีน ทําให้การหลุดพ้นจากการเป็นเอกชนทางเทคโนโลยีของต่างประเทศ และปลดปล่อยการ

ในด้านการดูแลสุขภาพ การปลูกถ่ายฟันเทียมและข้อต่อเทียมที่ออกแบบเฉพาะบุคคลสามารถ "ผลิตตามคำสั่ง" ได้ผ่านการพิมพ์ 3 มิติด้วยเลเซอร์ไฟเบอร์ โดยอิงจากข้อมูล CT ของผู้ป่วย เลเซอร์จะควบคุมช่วงการหลอมละลายของผงโลหะผสมไทเทเนียมอย่างแม่นยำ เพื่อให้มั่นใจว่าอุปกรณ์ฝังมีรูปร่างพอดีกับกระดูกอัลเวอลาร์อย่างสมบูรณ์ ลดความเสี่ยงจากการผ่าตัด และย่นระยะเวลาการรักษา (การผลิตอุปกรณ์เฉพาะบุคคลแบบดั้งเดิมใช้เวลา 1 เดือน ในขณะที่การพิมพ์ 3 มิติด้วยเลเซอร์ไฟเบอร์ใช้เพียง 3 วันเท่านั้น)

ในอุตสาหกรรมการผลิตรถยนต์ กระบวนการแบบดั้งเดิมไม่สามารถสร้างโครงสร้างภายในที่ซับซ้อนสำหรับช่องระบายความร้อนของฝาสูบเครื่องยนต์ได้ แต่การพิมพ์ 3 มิติด้วยเลเซอร์ไฟเบอร์สามารถสร้างขึ้นในขั้นตอนเดียว ทำให้ประสิทธิภาพการระบายความร้อนดีขึ้น 20% ลดน้ำหนักชิ้นส่วน และช่วยให้รถยนต์บรรลุการออกแบบที่เบาขึ้น เพื่อลดการบริโภคพลังงาน

III. แนวโน้มในอนาคต: การพิมพ์ 3 มิติด้วยเลเซอร์ไฟเบอร์จะเติบโตและแข็งแกร่งยิ่งกว่าเดิม

ปัจจุบันเลเซอร์ไฟเบอร์กำลังสูงสามารถให้ผลลัพธ์ต่อเนื่องได้ถึง 2 กิโลวัตต์จากไฟเบอร์เดี่ยว และเทคโนโลยีการรวมหลายไฟเบอร์สามารถเกิน 10 กิโลวัตต์ได้ ในอนาคตการอัปเกรดจะมุ่งเน้นไปในสองทิศทาง:

ในด้านหนึ่ง ความแม่นยำที่สูงขึ้น—เมื่อผสานกับเทคโนโลยีไฟเบอร์ผลึกโฟตอน (photonic crystal fiber) จุดเลเซอร์สามารถลดลงได้อีกจนถึง 0.05 มม. ทำให้สามารถพิมพ์ชิ้นส่วนขนาดเล็กในระดับไมโคร เช่น สเตนต์หลอดเลือด เพื่อตอบสนองความต้องการทางการแพทย์ที่ละเอียดมากยิ่งขึ้น

อีกด้านหนึ่ง ต้นทุนที่ต่ำลง—ด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีในไฟเบอร์แบบคลุมคู่ภายในประเทศและแหล่งจ่ายปั๊มกึ่งตัวนำ ต้นทุนการผลิตเลเซอร์ไฟเบอร์จึงลดลงอย่างต่อเนื่อง คาดว่าจะสามารถเข้าถึงผู้ผลิตขนาดกลางและขนาดเล็กได้มากขึ้น ทำให้การพิมพ์ 3 มิติโลหะเปลี่ยนจากการ "ปรับแต่งระดับไฮเอนด์" ไปสู่ "การผลิตจำนวนมาก" เช่น การผลิตและการซ่อมแซมชิ้นส่วนรถยนต์และแม่พิมพ์อย่างรวดเร็ว

ตั้งแต่ชิ้นส่วนยานยนต์ขนาดใหญ่ไปจนถึงอุปกรณ์ทางการแพทย์ขนาดเล็ก เลเซอร์ไฟเบอร์กำลังสูงกำลังเปลี่ยนวิธีการผลิตชิ้นส่วนโลหะใหม่ โดยไม่เพียงแต่ทำให้การประมวลผลโครงสร้างที่ซับซ้อนมีประสิทธิภาพและแม่นยำมากขึ้นเท่านั้น แต่ยังผลักดันการผลิตให้ก้าวไปสู่การพัฒนาในแนวทาง "สีเขียวและแบบเฉพาะตัว" ในอนาคต เราสามารถคาดหวังได้ว่าจะมีชิ้นส่วนโลหะที่ผลิตด้วย "เลเซอร์ไฟเบอร์พรินต์" มากขึ้นในชีวิตประจำวัน เช่น แผ่นเบรกรถยนต์แบบปรับแต่ง พื้นผิวฮาร์ดแวร์สำหรับบ้าน และแม้แต่เครื่องประดับโลหะที่ออกแบบเฉพาะบุคคล