Принцип 3D лазерного друку металу

Технологія 3D-лазерного друку металу, ключова галузь адитивного виробництва, покладається на точно керовані високо-енергетичні лазерні промені для плавлення та затвердіння металевих матеріалів шар за шаром, зрештою створюючи три-вимірну тверду частину. Ця технологія порушує «субтрактивну» логіку традиційного виробництва, натомість уможливлюючи пряме виготовлення складних структур за допомогою «додаткового» підходу. Він втілює складну інтеграцію матеріалознавства та оптичної технології.

Весь процес починається з розрізання цифрової моделі. Комп’ютер розбиває 3D-дизайн на серію 2D-даних-перерізів, які направляють кожен шар 3D-принтера. На початку друку механізм розподілу порошку в машині наносить рівномірний шар металевого порошку на робочий стіл. Товщина порошку зазвичай коливається від десятків до сотень мікрон, регулюється відповідно до необхідної точності деталей. Далі високо-лазерний промінь вибірково сканує поверхню порошку на основі даних поперечного-перерізу поточного шару. Скрізь, куди потрапляє лазер, металевий порошок поглинає енергію та швидко нагрівається вище температури плавлення, утворюючи крихітну купу розплавленого металу.

Взаємодія між лазером і металевим порошком має вирішальне значення для цього процесу. Необхідно точно контролювати щільність енергії лазера, щоб забезпечити повне розплавлення порошку, щоб гарантувати високу-якісність збірки, а також уникати надмірної енергії, яка може спричинити випаровування матеріалу чи бризки. Після того, як лазерний промінь завершить своє сканування вздовж попередньо -заданого шляху, розплавлена ​​купа охолоджується та твердне протягом дуже короткого періоду часу, утворюючи суцільний металевий шар, який відповідає формі поперечного-перерізу цього шару. Потім робочий стіл опускається на товщину шару, а пристрій-укладання порошку наносить новий шар порошку. Потім лазерний промінь сканує наступну ділянку поперечного-перерізу, де новоутворений металевий шар міцно з’єднується з попереднім шаром. Цей цикл повторюється, доки не завершиться весь процес 3D-друку.

Якість міжшарового з’єднання безпосередньо впливає на загальну продуктивність деталі. Під час процесу лазерного сканування щойно розплавлений метал не тільки зливається з порошком поточного шару, але й утворює металургійний зв’язок із затверділим металом під ним. Це вимагає, щоб енергія лазера помірно нагрівала поверхню нижнього металевого шару, уможливлюючи дифузію-на атомному рівні між ним і щойно розплавленим шаром. Цей міжшаровий металургійний зв’язок, відмінний від простого фізичного накопичення, є основою для механічних властивостей деталі та ключовим фактором високої міцності металевих деталей, надрукованих 3D-лазером.

Щоб забезпечити стабільний процес 3D-друку з металу, вся система повинна працювати в суворо контрольованому середовищі. Більшість металевих матеріалів легко реагують із киснем і азотом у повітрі за високих температур, утворюючи окислені домішки або крихкі сполуки, які впливають на якість деталей. Тому камери для 3D-друку зазвичай заповнюють інертним газом (наприклад, аргоном), щоб підтримувати надзвичайно низький рівень кисню. Деяке високоточне-друкарське обладнання навіть використовує вакуумне середовище, щоб повністю усунути газові перешкоди.

Параметри лазера, такі як діаметр плями, швидкість сканування та щільність потужності, повинні бути адаптовані до характеристик металевого матеріалу. Наприклад, сплави з вищими температурами плавлення потребують більшої потужності лазера, тоді як матеріали з хорошою теплопровідністю вимагають скоригованого шляху сканування, щоб запобігти надмірній втраті тепла. Оптимізація цих параметрів може зменшити дефекти, такі як пори та тріщини під час 3D-друку, покращуючи щільність деталей і однорідність структури.

Після 3D-друку нерозплавлений порошок часто прилипає до поверхні деталі, що потребує очищення. Деталі, що вимагають високої точності, можуть вимагати подальшої термічної обробки або механічної обробки для усунення внутрішніх напруг і покращення шорсткості поверхні. Однак, порівняно з традиційним виробництвом, 3D-лазерний друк виключає виготовлення прес-форм і кілька етапів обробки, що робить перехід від цифрової моделі до фізичної частини більш прямим. Цей принцип адитивного виробництва на основі-лазера дозволяє створювати конструкції зі складними порожнинами та порожнистими структурами, яких важко досягти традиційними методами. Точна керованість лазерним променем забезпечує точність кожного шару, тоді як метод -за-накопиченням шарів забезпечує надзвичайну гнучкість у виробничому процесі. З розвитком технології стабільність потужності лазерного джерела, однорідність порошкового матеріалу та алгоритми оптимізації для шляху сканування продовжували вдосконалюватися, сприяючи подальшому практичному застосуванню технології 3D-лазерного друку металів у промисловій сфері.