Чем лазеры для 3D-печати отличаются от лазеров для резки?

За последние четыре десятилетия лазерные станки стали обязательным инструментом для подавляющего большинства производителей листового металла.

От CO2-лазеров до их более новых и более способных твердотельных собратьев, то, что начиналось как лабораторный эксперимент 1960-х годов, сегодня является предпочтительным методом быстрой и точной резки практически любого металла толщиной менее 2,54 см.

Однако вскоре после того, как лазеры начали появляться в мастерских повсеместно, было найдено другое применение для коллимированного света, которому, похоже, суждено было сыграть столь же важную роль в производстве.

В 1987 году соучредитель компании 3D Systems Чак Халл продал первую SLA-1 машину, использующую ультрафиолетовый лазер для отверждения тонких слоев фотореактивной смолы. Родилось аддитивное производство (АМ), более известное как 3D-печать.

С тех пор 3D-печать превратилась из процесса создания прототипов только из фотополимеров в жизнеспособный метод производства конечных деталей. Благодаря множеству доступных материалов, включая инженерные пластмассы, сверхпрочные сплавы, такие как титан и сплав INCONEL, мартенситно-стареющие стали, инструментальные и нержавеющие стали, нет ничего, что не могли бы изготовить 3D-принтеры. И хотя лазерное излучение - не единственная технология, используемая для отверждения, спекания, расплавления или иного соединения этих различных материалов, она определенно является лидером в аддитивном производстве.

Примечание: данная статья является переводом.

Чем же лазер, способный прорезать сталь толщиной 18 мм, отличается от лазера, используемого для печати оснастки для листогибочных прессов, сборочных приспособлений и концевых эффекторов роботов?

"При 3D-печати металлов в промышленности в основном используются волоконные лазеры с длиной волны 1070 нанометров, то есть в инфракрасном диапазоне, тогда как для резки обычно используется непрерывный твердотельный волоконный или дисковый лазер с длиной волны в диапазоне от 1030 до 1080 нм", - объясняет Дейв Лок, специалист по продажам аддитивного производства в компании TRUMPF Inc.

Очевидно, что длины волн похожи, но это не относится к мощности. Мощность лазеров, установленных в принтерах TRUMPF для обработки металлов методом порошкового напыления (PBF), не превышает 500 Вт. Лазеры используемые для резки, наоборот, вырабатывают до 6 киловатт - в 12 раз больше. Если такую мощность лазера поместить в 3D-принтер, он прожжет дыру в днище машины.

Однако важно понимать, что мощность лазера - это лишь один рабочий параметр из многих, независимо от того, сплавляется металл или разрезается на части. Помимо мощности, производители также стремятся обеспечить универсальность. Например, они прилагают все усилия, чтобы сделать свою продукцию "настраиваемой" (регулируемой для работы с различными материалами) в зависимости от сплава и толщины разрезаемого материала. 

"Колоколообразная гауссова форма волны, подобная той, которую генерируют волоконные лазеры, обеспечивает очень высокую плотность пятна, и именно это дает им возможность прорезать тонкие материалы", - объясняет Дастин Дил, менеджер по продукции лазерного подразделения Amada America. "Однако этот небольшой размер пятна становится менее эффективным, когда вы переходите к материалам толщиной 1.3 см и выше, и это причина, по которой CO2-лазеры долгое время предлагали лучшие скорости и более высокое качество кромок на более толстых материалах".

"Но по мере развития технологии Amada (и другие компании) нашла способы регулировки диаметра луча лазера и формы волны для создания более крупного пятна - по форме напоминающего шляпу. Именно поэтому, а также по другим причинам, Amada полностью перешла на оптоволокно в своей стандартной линейке станков для лазерной резки", - говорит Дил.

Значит ли это, что CO2-лазеры уходят в историю? Вряд ли. "Полимеры в основном прозрачны для более коротких длин волн волоконного лазера, поэтому использовать их в 3D-печати - все равно что светить фонариком сквозь снег", - говорит Дэмиен Грей, главный инженер по лазерной оптике в EOS North America Inc, Пфлюгервиль, Техас. Он проходит насквозь". Свет от CO2-лазера, с другой стороны, сильно поглощается большинством полимеров".

Это хорошая новость для селективного лазерного спекания (SLS) - пластикового альтер эго металлической печати PBF. Но есть оговорка: CO2-лазеры обеспечивают более низкое разрешение печати и не могут делать такие мелкие детали, как волоконные лазеры.

Дэвид Каллен, директор по прикладным разработкам 3D Systems Inc. в Рок-Хилле, штат Южная Каролина, объяснил, что CO2-лазер, используемый в SLS-принтерах его компании, имеет длину волны около 10 600 нм, что в 10 раз больше, чем у обычного волоконного лазера. А с увеличением длины волны увеличивается и размер пятна.

"Вы получаете разрешение печати 475 микрон, или около полумиллиметра, что значительно больше, чем в машинах с порошковым напылением металла", - говорит он. "Положительным моментом является то, что скорость печати SLS является одной из самых высоких в отрасли".

Как и производители оборудования для лазерной резки, производители 3D-принтеров используют передовую оптику и электронику для изменения параметров лазера "на лету" - по крайней мере, в некоторых случаях.

Только что рассмотренная установка SLS имеет фиксированный размер луча, но Каллен сказал, что стереолитография (SLA) - технология, на которой была основана его компания, - теперь предлагает два размера пятна.

"Настраивая ориентацию кристалла в YAG-лазере, мы можем генерировать большое пятно для быстрого сканирования больших областей на внутренней стороне детали, а затем динамически переключаться на малое пятно для тонких деталей и прослеживания контура", - сказал он. "Результатом является лучшее качество детали и более высокая скорость сборки".

Анкит Сахаран, менеджер по разработке приложений и исследованиям и разработкам в EOS, согласился с важностью контроля размера пятна, но добавил, что в случае аддитивного лазерного производства есть гораздо больше характеристик, чем размер пятна и длина волны или тип лазера, используемого для его создания.

"Маленький размер пятна лучше, чем большой, потому что чем меньше пятно, тем меньше бассейн расплава, что означает меньшее напряжение в заготовке", - сказал Сахаран. "Мы начинаем с размера около 45 мкм на небольших платформах и доходим до 100 мкм на больших платформах".

Однако меньшие размеры пятна также означают меньшую скорость осаждения, поэтому необходимо поддерживать баланс между стабильностью процесса и стоимостью. Кроме того, существует множество других факторов, таких как толщина слоя, размер зерна порошка, механизмы доставки и нанесения порошка, отражательная способность исходного материала и различные параметры оборудования.

Сахаран говорит: "Это очень сложный сценарий, и высококачественный лазер, хотя и важная, но всего лишь часть того, что необходимо для создания стабильного аддитивного процесса".

Советуем вам прочитать статьи опубликованные в нашем блоге ранее: «‎Нужна нестандартная листогибочная оснастка? Напечатайте её на 3D-принтере! [Часть 1]»‎ и «‎3D-печатные инструменты для штамповки на листогибочном прессе»‎.

Если вам понравилась статья, то ставьте лайк, делитесь ею со своими друзьями и оставляйте комментарии!