用于金属3D打印的高稳定性激光产品方案
- 来源：宝辰鑫激光
- 2024/5/30 13:48:59
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随着制造业不断向智能化方向迈进，3D打印作为一种革命性的增材制造技术，正在逐渐改变着传统生产方式。也正因为其技术的逐渐成熟和成本的降低，金属3D打印正越来越多地被应用于实际生产中，尤其是在航空航天、汽车制造、医疗器械等领域，3D打印的各种定制化的金属零部件正日益普遍。
激光选区熔化金属3D打印
金属3D打印，是以金属粉末/丝材为原料，以高能束(激光束/电子束/电弧/等离子束等)作为能量源，配合适当的软件与数控系统，将材料逐层熔化堆积，最终制造出高性能的金属构件的加工方式。
激光器作为实现金属3D打印的一种能量源，有多种技术能通过激光实现金属3D打印，比如激光选区熔化(SLM)、直接金属激光烧结(DMLS)、激光工程净成型(LENS)等。其中SLM打印性价比相对占优，具备高致密度、高强度、高精度、高利用率的优势，同时成本相对较低，技术发展成熟，是当前金属3D打印主流的解决方案。
激光选区熔化(SLM，Selective laser melting)主要适用于金属粉末材料的3D打印，它按照三维CAD切片模型中规划好的路径，利用激光束在金属粉末床层进行逐层扫描，扫描过的金属粉末经过熔化、凝固达到冶金结合，最终获得模型所设计的金属零件。
SLM中国产激光器面临的痛点
激光器作为3D打印上游的核心部件，其性能直接影响着最终产品的打印效果。
在激光选区熔化装备中，最核心的部件就是单模光纤激光器。要想实现金属零部件整体性能一致的高精度打印，激光器的性能必须能够在长工作时间内保持稳定，这包括激光器的输出功率、光束质量、可靠性等指标；因为3D打印的工件往往结构复杂，体积也可能较大，往往需要多台激光器长时间连续工作，任何微小的功率衰减都可能会对最终打印质量带来不利影响。
过去，国产激光器在性能稳定性方面的表现不尽人意，尤其是功率输出方面，长时间工作会有一定衰减。这也是过去金属3D打印用激光器长期被国外厂商垄断的原因。
宝辰鑫高稳定性激光产品方案
为了解决在SLM应用中国产激光器遭遇的痛点问题，确保激光器输出功率长时间保持稳定，宝辰鑫激光借助创鑫激光器件平台的优势，优化激光器在光学、电路、结构等方面的设计，很好地保证了激光功率长时间输出的稳定性。与传统激光器相比，在光束质量(M2<1.1)、响应速度(10μs)、稳定性(±1%)和体积(IU，减小2/3)等方面实现进一步突破，为行业客户提供更多可靠的降本增效选择。
宝辰鑫依托创鑫激光垂直整合的资源优势，已实现95%以上的核心器件自主研发生产，并且性能达到世界先进水平。
根据3D打印行业特性，宝辰鑫提供专用激光器及配套子系统，涵盖多功率段选择(300W、500W、1000W、500/4000W等)，同时有单模/多模可调光斑设计，高质量高稳定的光学特性，结合先进灵动的外观设计，支持大型结构件及复杂细节的打印，可满足多类型的3D打印实际生产场景需求；并能从以下多个维度为客户提供选项：
(1)提升电光转化效率。高效能的电光转换最高可达40%，不仅降低了能源消耗，减少了打印过程中的热量积累，也为客户节约生产成本。
(2)提升打印效率及稳定性。激光器功率从0%-100%开启时间，控制在不大于10μs，是传统激光器开启时间的1/10，有效提高实际加工效率。在稳定性方面，短时功率稳定性为±1%，长时功率稳定性为±2%，确保打印过程中的熔化和固化可靠、高质量。
(3)优化机型尺寸，增加接口和通信功能。在功能不变的情况下，激光器整个尺寸是标准的1U机箱，相对于传统的单模连续光纤激光器优化了近2/3，节约设备/产线空间，帮助客户更易集成、降本。操作简单、调试便捷，丰富的接口和支持总线通信，极大提升了客户的集成度。
(3)提供单模/多模可调模式，保障打印质量。为解决3D打印成形质量痛点，宝辰鑫3D打印专用双光束(单模/多模可调)激光器，以单模/多模灵活可调的模式来应对：单模可实现小光斑高能量光束，多模可实现均匀能量分布，不同打印区域可选择不同光斑模式(高斯/匀化)。同时，双光束打印过程飞溅少，融化的材料被导向熔池底部，有助于融化过程气体排出，保障成形质量。
实际应用
宝辰鑫3D打印专用激光器已经在业界广泛部署。在长三角某大型增材企业现场，搭载宝辰鑫3D打印专用激光器的金属3D打印设备，正在稳定运行中。作为国内最早一批投身3D打印激光器细分应用研发的厂商之一，宝辰鑫早在2018年就开启了细分市场研究，贴近细分客户的真实需求场景，研发高性价比的行业专用激光器产品。
在某金属和尼龙高端增材制造应用项目中，客户为国内某超大型工业级金属增材制造(3D打印)设备制造商，其行业应用覆盖航空航天、医疗齿科、骨科、新能源、模具等多个领域，设备出口欧美及海外各国家占比近50%。客户对打印质量、打印精度、打印稳定性等各方面工艺标准极高，对激光器的性能指标要求也就极高。宝辰鑫3D打印激光器以高光束质量(M2<1.1)、稳定性在±1.5%，响应速度控制在10μs内的高标准，通过了客户上线测试验证，现已在终端现场稳定运行。
结语
宝辰鑫基于激光选区熔化SLM的3D打印专用光纤激光器，不仅具有结构紧凑、光束质量高、可靠性高的特点，而且其基于器件整合、光学设计的优化，可以很好地保证激光功率长时间输出的稳定性，从而保证工件的打印质量。
目前，宝辰鑫3D打印激光产品方案以其高性能、稳定性、广泛适用性和易于集成等特点，在增材制造市场中占据了重要的地位，并在航空航天、汽车制造、模具制造、医疗器械及3C等领域得到广泛应用，装机量在国产激光器中属于先进水平。下一步，宝辰鑫将针对3D打印行业客户对激光系统的应用需求，以更加完善、综合的激光解决方案，与客户共研共创，推动3D打印工艺改善、技术进步。
中国作为全球最大的制造业市场之一，对3D打印技术的需求巨大，并且随着技术的不断发展和普及，这一需求还将持续增长。从标准激光器产品，到差异化的激光产品方案，宝辰鑫深入了解市场和行业客户的需求，研发出更符合市场需求的3D打印激光产品方案，推动3D打印的技术创新和应用创新，实现关键零部件国产化，打破国外对高品质激光器的垄断。
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