Як волоконний лазер розкриває металеве 3D-друкування? Розкриття технологій високопотужного ядра

Коли справа доходить до 3D друк , ви, можливо, бачили пластикові іграшки або фігурки зі смоли, але чи знаєте ви, що тепер компоненти з титанового сплаву для авіаційно-космічної промисловості та індивідуальні зубні імплантати в медицині можна друкувати одразу за допомогою "лазерів"? Основу цього становить потужна сила волоконних лазерів. Чому вони змогли стати "головним двигуном" технології металевий 3d друк ? І як вони поєднують високу потужність і високу точність? Сьогодні давайте разом дослідимо інтегрований світ волоконних лазерів і 3D-друку, розглянемо ключові технології.

I. Волоконний лазер + 3D-друк: переосмислення виробництва металевих деталей

Традиційна обробка металів ґрунтується на використанні форм та різання. Складні конструкції часто потребують кількох етапів складання, що є трудомістким і призводить до значних витрат матеріалу (коефіцієнт використання матеріалу при традиційному різанні менше 30%). Волоконне лазерне 3D-друкування (уособлене селективним лазерним плавленням, SLM) повністю змінює цю модель — воно використовує металевий порошок як сировину, а потужний волоконний лазер послідовно розплавляє шари порошку за заданою траєкторією. Після охолодження шари накопичуються, утворюючи тривимірну деталь. Увесь процес не потребує форм і нагадує «малювання світлом на металевому порошку, нанесення нового шару порошку після кожного кроку та накопичення шарів до отримання готового виробу».

Переваги цієї технології забезпечуються потужними волоконними лазерами: вони випромінюють лазерні промені надзвичайно високої якості з малими кутами розбіжності та рівномірними плямами (мінімальний розмір плями до 0,1 мм), що дозволяє точно відтворювати тонкі структури деталей, такі як складні каналі для потоку в лопатках турбін або прецизійні зубці у шестернях. У той же час їхня потужність регулюється в широкому діапазоні (від сотень ват до кількох кіловат), і вони здатні обробляти металеві листи завтовшки всього 0,1 мм та плавити сталеві пластини з нержавіючої сталі завтовшки до 50 мм. Ще важливіше те, що волоконні лазери мають ефективність електро-оптичного перетворення 25%-30%, а відведення тепла значно перевершує традиційні YAG-лазери. Навіть тривала робота не впливає на точність через перегрівання, що робить їх ідеальними для авіакосмічної, медичної та інших галузей із суворими вимогами до якості деталей.

II. Від лабораторії до промисловості: реальні застосування 3D-друку волоконними лазерами

Сьогодні волоконно-лазерне 3D-друкування перейшло від технічної концепції до кількох високотехнологічних галузей, вирішуючи завдання, з якими традиційна обробка не могла впоратися, і стаючи «новим інструментом» для високотехнологічного виробництва.

У авіаційно-космічній галузі Північний університет аеронавтики та астронавтики використовував волоконно-лазерне 3D-друкування для виготовлення великих несучих деталей з титанового сплаву для літаків, зменшивши вагу деталей на 30%, одночасно збільшивши міцність на 15%. Північно-західний політехнічний університет навіть надрукував фланець центрального крила для великого літака C919, що зламав іноземну технологічну монополію та звільнив китайське авіаційне виробництво від залежності від імпортних форм.

У сфері охорони здоров'я індивідуальні зубні імплантати та штучні суглоби можуть бути «виготовлені за вимогою» за допомогою 3D-друку волоконним лазером. На основі даних КТ пацієнта лазер точно керує зоною плавлення порошку титанового сплаву, забезпечуючи ідеальне прилягання імплантату до альвеолярної кістки, зменшуючи хірургічні ризики та скорочуючи терміни лікування (традиційні індивідуальні імплантати виготовляються за 1 місяць, тоді як 3D-друк лазером займає лише 3 дні).

У виробництві автомобілів традиційні процеси не можуть створювати складні внутрішні структури каналів охолодження головки блоку циліндрів двигуна, тоді як волоконний лазерний 3D-друк формує їх одразу, підвищуючи ефективність охолодження на 20%, зменшуючи вагу деталей і сприяючи легкій конструкції транспортних засобів для зниження споживання енергії.

III. Майбутній прогноз: волоконний лазерний 3D-друк стане ще «потужнішим»

Наразі волоконні лазери великої потужності можуть забезпечувати безперервний вихід 2 кВт від одного волокна, а технологія об'єднання багатьох волокон дозволяє перевищити 10 кВт. Майбутні оновлення будуть зосереджені на двох напрямках:

По-перше, підвищення точності — у поєднанні з технологією фотонних кристалічних волокон, розмір лазерної плями може бути зменшений до 0,05 мм, що дозволяє друкувати мікроскопічні деталі, такі як судинні стенти, для задоволення більш високих медичних вимог.

По-друге, зниження вартості — завдяки технологічним проривам у вітчизняних подвійних оболонкових волокнах та напівпровідникових джерелах накачування, вартість виробництва волоконних лазерів знижується. Очікується, що вони увійдуть до більшої кількості середніх і малих виробників, змістивши металеве 3D-друкування від «високотехнологічного замовлення» до «масового виробництва», наприклад, швидке виготовлення та ремонт автозапчастин і форм.

Від великих аерокосмічних компонентів до мікродрібних медичних імплантатів потужні волоконні лазери змінюють способи виготовлення металевих деталей. Вони не лише роблять обробку складних конструкцій ефективнішою та точнішою, а й сприяють розвитку виробництва у напрямку «зеленого та індивідуалізованого». У майбутньому ми зможемо очікувати більше металевих деталей, «надрукованих волоконним лазером», у повсякденному житті — індивідуальні тормозні колодки для автомобілів, побутове металеве приладдя та навіть персоналізовані металеві прикраси.