Technologia selektywnego topnienia laserowego (SLM) pojawiła się jako rewolucyjna technika produkcyjna addytywnego, umożliwiająca produkcję złożonych, wysokiej jakości części metalowych o doskonałych właściwościach mechanicznych. Sercem tej technologii leży laser, który odgrywa różnorodną i kluczową rolę. Jako dostawca technologii SLM byłem świadkiem znaczenia laserów w tym czołowym polu.
1. Podstawy technologii SLM
Zanim zagłębić się w rolę laserów, konieczne jest zrozumienie podstawowych zasad technologii SLM. SLM to addytywny proces produkcji, który buduje trzy - obiekty wymiarowe warstwy po warstwie. Zaczyna się od cienkiej warstwy metalu proszku rozprzestrzeniania się równomiernie na platformie kompilacji. Laser następnie selektywnie topi proszek w określonych obszarach zgodnie z modelem cyfrowym, zestalając go w pożądany kształt. Po zakończeniu warstwy platforma kompilacji obniża się, nowa warstwa proszku jest nakładana, a proces powtarza się do momentu utworzenia całego obiektu.
2. Laser jako źródło energii
Najbardziej fundamentalną rolą lasera w technologii SLM jest źródło energii. Belka laserowa zapewnia energię o wysokiej intensywności wymaganej do stopienia metalu proszku. Różne metale mają różne temperatury topnienia, a laser musi być w stanie zapewnić wystarczającą energię, aby dotrzeć i przekroczyć te temperatury topnienia. Na przykład stopy tytanu, które są szeroko stosowane w zastosowaniach lotniczych i medycznych, mają stosunkowo wysokie temperatury topnienia (około 1668 ° C). Potrzebny jest laser o wysokiej mocy, aby zapewnić całkowite topnienie proszku tytanowego, co powoduje gęstą i wadę - wolna część.
Gęstość energii wiązki laserowej jest kluczowym parametrem. Jest zdefiniowany jako moc lasera podzielonego przez obszar lasera na złożu proszku. Konieczna jest odpowiednia gęstość energii, aby osiągnąć dobre topnienie i wiązanie między cząsteczkami proszku. Jeśli gęstość energii jest zbyt niska, proszek nie może się całkowicie stopić, co prowadzi do porowatości i słabych właściwości mechanicznych w końcowej części. Z drugiej strony, jeśli gęstość energii jest zbyt wysoka, może powodować ponad - topnienie, balowanie (tworzenie sferycznych kul stopionego metalu zamiast warstwy ciągłej) i zniekształcenie części.
3. Precyzja skanowanie i generowanie wzorów
Lasery w systemach SLM są wyposażone w lustra skanujące, które mogą precyzyjnie kontrolować ruch wiązki laserowej przez łóżko proszkowe. Pozwala to na tworzenie złożonych geometrii i drobnych detali w drukowanych częściach. Cyfrowy model obiektu jest pokrojony na cienkie warstwy, a system skanowania prowadzi laser do śledzenia kształtu każdej warstwy na złożu proszku.
Prędkość skanowania i ścieżka mają również znaczący wpływ na jakość drukowanej części. Wolniejsza prędkość skanowania na ogół pozwala na osadzanie większej energii na jednostkę powierzchni, co może poprawić topnienie i wiązanie proszku. Zwiększa jednak również czas budowy. Ścieżkę skanowania należy starannie zaplanować, aby zapewnić jednolite ogrzewanie i chłodzenie proszku, zmniejszając ryzyko naprężeń termicznych i wypaczenia. Na przykład można użyć meandrującego lub skanowania rastrowego, ale kierunek i nakładanie się linii skanowania muszą zostać zoptymalizowane.
4. Kontrola interakcji materiału i mikrostruktury
Interakcja między laserem a metalem proszkiem podczas procesu topnienia wpływa na mikrostrukturę drukowanej części. Gdy laser topi proszek, szybkie zestalanie występuje z powodu wysokich szybkości chłodzenia. To szybkie zestalenie może powodować drobne mikrostruktury, które często prowadzą do poprawy właściwości mechanicznych, takich jak wyższa wytrzymałość i twardość.
Parametry lasera można dostosować do kontrolowania procesu zestalania. Na przykład, zmieniając moc lasera, prędkość skanowania i czas trwania impulsu, szybkość chłodzenia można zmodyfikować. Wolniejsza szybkość chłodzenia może sprzyjać wzrostowi większych ziaren, co może być korzystne w niektórych zastosowaniach, w których ciągłość jest ważniejsza. Natomiast szybsza szybkość chłodzenia może wytwarzać drobniejszą mikrostrukturę, zwiększenie wytrzymałości i odporności na zużycie.
5. Porównanie z innymi technologiami produkcyjnymi addytywnymi
W porównaniu z innymi technologii produkcji addytywnej, takich jakTechnologia DLPWTechnologia SLS, ITechnologia FDM, rola laserów w SLM jest wyraźna.
- Technologia DLP: Technologia DLP (Digital Light Processing) wykorzystuje cyfrowy projektor świetlny do leczenia warstwy fotopolimerów płynnych według warstwy. Zamiast lasera opiera się na projekcji lekkiej dla procesu utwardzania. Technologia ta służy głównie do produkcji części tworzyw sztucznych o wysokiej powierzchni i stosunkowo wysokiej rozdzielczości. Natomiast SLM wykorzystuje lasery do stopienia proszków metalowych, umożliwiając produkcję mocnych i trwałych części metalowych.
- Technologia SLS: SLS (selektywne spiekanie laserowe) również używa lasera, ale spieka cząstki proszkowe, a nie w pełni je topi. SLS jest powszechnie stosowany do materiałów polimerowych i ceramicznych. Laser w SLS zapewnia wystarczającą energię, aby związać cząstki proszku w punktach styku, podczas gdy w SLM proszek jest całkowicie stopiony. Różnica ta powoduje, że części SLM mają większą gęstość i lepsze właściwości mechaniczne w porównaniu z częściami SLS.
- Technologia FDM: FDM (modelowanie osadzania stopionego) działa poprzez wytłaczanie włókna termoplastycznego przez podgrzewaną dyszę i osadzając ją warstwą warstwą. W ogóle nie używa lasera. FDM to bardziej opłacalna i dostępna technologia produkcji plastikowych prototypów i prostych części. SLM, z procesem topienia na bazie lasera, jest w stanie tworzyć bardziej złożone i wysokiej wydajności części metalowe.
6. Zapewnienie jakości i monitorowanie
Lasery w systemach SLM mogą być również wykorzystywane do celów zapewniania jakości i monitorowania. Niektóre zaawansowane maszyny SLM są wyposażone w systemy monitorowania procesów, które wykorzystują sam laser lub dodatkowe czujniki do wykrywania defektów podczas procesu drukowania. Na przykład laser może być używany do pomiaru wysokości proszku przed i po stopieniu, aby wykryć nierównomierność lub brak pokrycia proszku.
Analizując odbicie lub wchłanianie światła laserowego podczas procesu topnienia, możliwe jest wykrycie defektów, takich jak porowatość, pęknięcia lub niepełne topnienie. To rzeczywiste monitorowanie czasu pozwala na natychmiastowe dostosowanie parametrów drukowania, zapewniając produkcję części o wysokiej jakości.
7. Wyzwania i przyszłe zmiany
Pomimo wielu zalet laserów w technologii SLM, nadal istnieją pewne wyzwania. Jednym z głównych wyzwań jest wysokie koszty laserów o wysokiej mocy i związane z tym konserwacja. Ponadto złożoność kontrolowania parametrów laserowych w celu osiągnięcia optymalnych wyników wymaga wykwalifikowanych operatorów i zaawansowanych systemów sterowania.
W przyszłości możemy spodziewać się dalszej poprawy technologii laserowej dla SLM. Opracowane zostaną nowe typy laserów o wyższej wydajności, lepszej jakości wiązki i dokładniejszej kontroli. Postępy te doprowadzą do szybszych prędkości drukowania, lepszej jakości części i możliwości przetwarzania szerszego zakresu materiałów.
Jako dostawca technologii SLM stale pracujemy nad zwiększeniem wydajności naszych systemów poprzez optymalizację procesów związanych z laserem. Oferujemy kompleksowe szkolenie i wsparcie dla naszych klientów, aby pomóc im w pełni wykorzystać technologię SLM opartą na laserowej.
Jeśli chcesz zbadać potencjał technologii SLM dla twoich potrzeb produkcyjnych, zapraszamy do skontaktowania się z nami w celu szczegółowej dyskusji. Nasz zespół ekspertów jest gotowy dostarczyć niestandardowe rozwiązania i pomóc w osiągnięciu celów produkcyjnych.
Odniesienia
- Gibson, I., Rosen, DW i Stucker, B. (2010). Technologie produkcji addytywnej: szybkie prototypowanie do bezpośredniej produkcji cyfrowej. Springer Science & Business Media.
- Kruth, J. - P., Leu, MC, i Nakagawa, T. (2007). Postęp w produkcji addytywnej i szybkim prototypowaniu. CIRP Annals - Manufacturing Technology, 56 (2), 525 - 546.
- Yadroitsev, I. i Bertrand, P. (2008). Analiza selektywnych parametrów procesu topnienia laserowego dla stopu TI6AL4V. Materiały i projekt, 29 (4), 826 - 831.