لیزر صنعتی آبی سرعت، کیفیت و کارایی را برای چاپ سه بعدی فلزی به ارمغان می آورد

زمانی که بیش از پنج سال پیش اولین لیزر صنعتی آبی تجاری در دسترس قرار گرفت، شروع به تغییر کاربردهای پردازش مواد کرد. پذیرش سریع آن به دنبال این واقعیت بود که همه فلزات نور آبی را بسیار بهتر از نور مادون قرمز (IR) جذب می‌کنند - به‌ویژه مس، آلومینیوم و طلا که همگی در مادون قرمز بازتابی بالایی دارند. این مزیت فیزیکی اساسی مستقیماً منجر به بهبود عملکرد برای کاربردهای پردازش فلز می شود. اولین بار در جوشکاری تأثیر گذاشت، جایی که افزایش جذب نور مستقیماً منجر به بهبود سرعت جوش و کیفیت قطعه می شود. لیزر آبی اکنون همین مزایا را برای تولید افزودنی ها معرفی می کند.

تولید افزودنی به عنوان روشی برای تولید قطعات نمونه اولیه از پلاستیک و سایر پلیمرها آغاز شد. اگرچه برای بررسی فرم، تناسب و عملکرد مفید است، اما این محدوده محدود از مواد، طیف محدودی از کاربردها را مجبور می کند. تنها با گسترش تولید افزودنی به ساخت قطعات فلزی می توان کاربردها را گسترش داد. فناوری لیزر صنعتی آبی اکنون پیشرفت کرده است تا امکان ادغام با روش های چاپ سه بعدی فلزی مبتنی بر لیزر، مانند رسوب مستقیم انرژی (DED) و همجوشی بستر پودری (PBF) را فراهم کند.

تولید افزودنی چالش های منحصر به فردی را ارائه می دهد که لیزر آبی برای غلبه بر آنها طراحی شده است. به عنوان مثال، سرعت ساخت، کارایی و کیفیت چاپ سه بعدی لیزری آبی امکان تولید انبوه را باز می کند. پیشرفت در فناوری لیزر و فرآیندهای تولید مواد افزودنی، رشد بیشتر را تحریک کرده و کاربردهای جدید را امکان پذیر می کند.

پایه ای در فیزیک بنیادی

ساختار الکترونیکی اتم های فلزی برهمکنش آنها با تابش الکترومغناطیسی را دیکته می کند. برای طیف وسیعی از فلزات انعکاسی - مس، آلومینیوم، طلا و سایرین - ساختار اتمی ذاتی آنها باعث می‌شود که جذب‌کننده بسیار ضعیف تشعشع IR باشند. در نتیجه، چگالی توان IR بسیار بالایی برای شروع انتقال انرژی به فلزات مورد نیاز است. در چگالی توان IR کم، نور IR به سادگی از سطح منعکس می شود.

با افزایش چگالی توان، پرتو سوراخی در قطعه ایجاد می‌کند که تابش IR چندین بار از طرفین سوراخ منعکس می‌شود که منجر به افزایش چشمگیر جذب می‌شود. این افزایش چشمگیر منجر به یک وضعیت فرار می شود، با افزایش جذب منجر به تبخیر شدید می شود - ایجاد حفره ها و پاشش که منجر به یک جوش بی کیفیت می شود. برعکس، همانطور که در شکل 1 مشاهده می شود، همین فلزات نور آبی را به خوبی جذب می کنند. در نتیجه، ذوب فلزات انعکاسی با انرژی لیزر آبی یک فرآیند صاف و به خوبی کنترل شده است.

برای کاربردهایی مانند جوشکاری، هدف تولید یک اتصال مکانیکی (و گاهی اوقات الکتریکی) قوی است که با یک جوش یکنواخت و پیوسته مشخص می شود. با کنترل دقیق فرآیند ارائه شده توسط لیزر آبی، انتخاب گسترده ای از سرعت، اندازه نقطه، انرژی پرتو و سایر پارامترها یک جوش با کیفیت بالا ایجاد می کند. این بدان معنی است که ترکیبات مختلفی از فلزات، ضخامت ها و هندسه قطعات را می توان در نظر گرفت. در مقابل، با لیزر IR، پنجره این پارامترهای فرآیند بسیار تنگ است، که نه تنها بهره‌وری را محدود می‌کند، بلکه گاهی آنقدر تنگ است که دستیابی به یک جوش با کیفیت بالا با استفاده از لیزر IR غیرممکن است.

تولید افزودنی فلزات اساساً جوشکاری متوالی است که در مقیاس کوچک انجام می شود. مواد اولیه ارائه می شود و یک منبع انرژی مواد خام را ذوب می کند و آن را به مواد مجاور می پیوندد. تولید افزودنی های مبتنی بر لیزر به همان دلایلی جذاب است که لیزرها راه حل های بهینه در بسیاری از کاربردها هستند: آنها به طور انعطاف پذیر و قابل اعتماد انرژی را به یک مکان دقیق بدون نیاز به تماس فیزیکی بین لیزر و مواد تحویل می دهند. DED و PBF رویکردهای جایگزین برای ارائه مواد اولیه هستند. به عنوان مثال، DED مواد اولیه را به هد چاپ لیزری هدایت می کند، در حالی که PBF یک لایه یکنواخت از مواد پودری را رسوب می دهد که لیزر در یک الگوی مشخص روی آن حرکت می کند.

همان فیزیک اساسی جوشکاری صدق می کند: جذب ضعیف فلزات بازتابنده مانند مس، طلا و آلومینیوم، تولید افزودنی لیزر مادون قرمز را با دو چالش مواجه می کند. اول، هنگام ذوب مواد بازتابنده با یک پرتو لیزر IR با شدت بالا، مقدار قابل توجهی از تبخیر ذرات پودر کوچکتر وجود دارد که منجر به نیاز به مدیریت رسوب مجدد این ذرات تبخیر شده می شود.

دوم، اگر از لیزر حلقه ای استفاده کنید، مقدار قابل توجهی از انرژی برای پیش گرم کردن پودر پیش از منبع لیزری با روشنایی بالاتر تلف می شود.

نور آبی به طور قابل پیش بینی توسط اکثر فلزات جذب می شود، بنابراین می توان از لیزر با روشنایی کمتر برای ایجاد یک گودال مذاب به خوبی کنترل شده استفاده کرد و تبخیر را می توان به حداقل رساند. این ابزاری را برای افزایش مقیاس سیستم های چند لیزری بدون نیاز به توسل به طرح های پیچیده مدیریت جریان گاز فراهم می کند. در نتیجه، لیزرهای آبی می توانند تراکم قطعه بالا، سرعت چاپ بالاتر و وسیله ای برای افزایش سرعت تولید با لیزرهای موازی متعدد فراهم کنند. همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، لیزر آبی قطعات فلزی پرینت سه بعدی با چگالی معادل را کارآمدتر از منابع IR تولید می کند.

فراتر از نظریه

اگرچه فیزیک بنیادی عنصر ضروری موفقیت لیزر صنعتی آبی در کاربردهای پردازش مواد است، تحقق این وعده نیازمند مهندسی دنیای واقعی است. آزمایشات اولیه عملکرد لیزر آبی در هر دو دستگاه DED و PBF مزایای بتن آبی را نسبت به IR نشان می دهد. به عنوان مثال، بلوک‌های مسی ساخته شده با هر دو روش به تراکم بیش از 97 درصد رسیدند و کیفیت سطح و دقت ابعادی عالی را نشان دادند، در حالی که کوپن‌های تست فولاد ضد زنگ حداقل دانسیته 98 درصد داشتند، همه قبل از بهینه‌سازی فرآیند.

بهبودهای کمی رنگ آبی نسبت به IR در شکل 3 خلاصه شده است. معیار کلیدی راندمان نرخ ساخت - اساساً معیاری از سرعت ساخت در هر وات - همچنین نشان داده شد که از 1.4 برابر تا بیش از 7 برابر بهتر از IR است. این مزایا برای فولاد ضد زنگ، تیتانیوم، مس و آلیاژ GrCop سازگار است و پایه و اساس رشد را در مناطق کاربردی دیگر نشان می دهد.

به طور خاص، چاپ مادون قرمز مواد بسیار بازتابنده مانند طلا، مس خالص یا آلومینیوم کند است و لیزرهای مادون قرمز با کیفیت چاپ مشکل دارند. لیزر آبی کاربردهایی را در جواهرات، دندانپزشکی و ایمپلنت‌های پزشکی باز می‌کند و مزایای لیزر آبی به چاپ طلا و ساخت قطعات مسی خالص مانند قطعات مورد نیاز برای قطعات هوافضا و وسایل نقلیه الکتریکی گسترش می‌یابد. به عنوان مثال، شکل 4 یک قطعه پرینت سه بعدی را نشان می دهد - یک نسخه کوچک شده از یک نازل موتور موشک، از جمله کانال های خنک کننده داخلی پیچیده. سرعت بالاتر، همراه با بهبود مدیریت گاز، چاپ سه بعدی را برای قطعات تولید انبوه دموکراتیک کرده و منجر به پذیرش گسترده تر چاپ سه بعدی می شود.

قابلیت های حال حاضر، احتمالات آینده

از زمان معرفی آن در سال 2017، مشخصات لیزر صنعتی آبی به سرعت بهبود یافته است. دستیابی به معیارهای کلیدی برای قدرت و روشنایی، دامنه کاربردها را گسترش داد. مدل‌های اولیه در کاربردهای ساخت سلول‌های باتری، که در آن ده‌ها یا تعداد زیادی فویل نازک باید با استحکام مکانیکی خوب و وفاداری الکتریکی بی‌خطر به هم وصل شوند، برتر بودند.

با تکیه بر آن موفقیت اولیه، زمانی که لیزر آبی به سطوح بالاتری از توان خروجی رسید - با عبور از نقاط عطف 500 وات و سپس 1000 وات - دامنه کاربرد آن نیز گسترش یافت. به عنوان مثال، اتصال فویل های باتری، زبانه ها، شینه ها و کیس ها با یک سیستم لیزری امکان پذیر شد. پیشرفت‌های بیشتر امکان ادغام لیزر را با سیستم‌های اسکن صنعتی استاندارد فراهم می‌کند و کارایی‌هایی را ارائه می‌دهد که توان عملیاتی سریع با کیفیت بالا را برای کاربردهای الکترونیک مصرفی فراهم می‌کند. این کاربردها، به نوبه خود، توسعه فرآیندهایی را برای اتصال اجزای خودروی الکتریکی و کاربردهای هوافضا و پزشکی تحریک کردند. تا این مرحله، پیشرفت‌های لیزری و پیشرفت‌های فرآیندی با یکدیگر موازی شده‌اند و مطمئناً این روند با تولید افزودنی ادامه خواهد یافت.

ما پیش‌بینی می‌کنیم که بسیاری از توسعه‌ها در خودروسازی و کاربردهای مشابه، بر بهینه‌سازی فرآیند برای افزایش بیشتر کارایی چاپ حجمی تمرکز کنند. فناوری لیزر آبی که امروزه در حال توسعه است، با ارائه سرعت چاپ بالاتر، با وضوح بالا و کیفیت بالا، به شدت از توسعه آینده تولید افزودنی پشتیبانی می کند. لیزرهای آبی با روشنایی بالاتر، با ارائه جایگزینی برای لیزرهای مادون قرمز، تأثیر مستقیمی بر چاپگرهای سه بعدی امروزی خواهند داشت که منجر به بهبود فوری عملکرد و وسعت مواد قابل چاپ می شود. شکل 5 ادغام مستقیم یک لیزر آبی در یک چاپگر سه بعدی تجاری را نشان می دهد.

بهبود سریع ثابت

جهش بعدی در قابلیت‌های لیزر آبی صنعتی، با چاپ منطقه‌ای خواهد بود، که یک فناوری بسیار امیدوارکننده است اما هنوز در مراحل اولیه توسعه است - توسعه NUBURU در چارچوب یک قرارداد نمایشی نیروی هوایی ایالات متحده دنبال می‌شود. بهبود موازی مداوم لیزر آبی و بهینه‌سازی پارامتر برای فرآیندهایی مانند چاپ منطقه‌ای، با چالش‌های مشابه هر توسعه فناوری جدید روبرو خواهد بود. بهبود عملکرد فنی برای رشد برنامه برای هر محصول جدید ضروری است، اما لجستیک باید نیازهای بازار را نیز پشتیبانی کند. مزایای پردازش مواد لیزر صنعتی آبی منجر به پذیرش سریع در طیف وسیعی از صنایع می‌شود که - ضرورتاً - مستلزم تغییرات در زنجیره تامین است. اما همانطور که این تغییرات رخ می دهد، لیزر آبی اضافی اعمال می شود.

منابع: diseñador 3d, 3d house design