Пожалуйста, оставьте нам сообщение
Прорыв в применении технологии 3D-печати магниевых сплавов
2026-07-31
Магниевые сплавы обладают широкими перспективами применения в авиационно-космической технике, рельсовом транспорте, биомедицине и других областях.
Однако ряд характеристик этого материала препятствовал широкому распространению 3D-печати, но эта ситуация меняется.
Почему 3D-печать магниевых сплавов сложна
Магниевые сплавы имеют низкие температуры плавления и кипения, высокое давление пара и сильные окислительные свойства, поэтому в процессе 3D-печати в изделии легко образуются поры, трещины и другие дефекты;
Кроме того, магний при высоких температурах чрезвычайно активен, и риск сохраняется на всех этапах технологии LPBF — от обработки порошка и печати до последующей обработки, поэтому во многих вузах печать этим материалом категорически запрещена.
В лазерной подаче проволоки в DED для магниевых сплавов при аддитивном производстве также существует множество сложностей:
➡️ Магний и его сплавы обладают высокой афинностью к кислороду, требуют строгих условий хранения; проволока в невакуумной среде легко окисляется, и сильно окисленная проволока прямо влияет на качество формирования, вплоть до невозможности формовки.
➡️ Оконный диапазон технологического процесса для магниевых сплавов узок, они крайне чувствительны к таким параметрам, как фокус лазера, мощность, скорость сканирования, скорость подачи проволоки и т.д., причём технологические условия значительно различаются между разными сериями сплавов, поэтому оптимизация параметров зависит от наладки.
➡️ При лазерной обработке легко происходит интенсивное испарение, образуются серьёзные взвеси порошка и дым, что приводит к нестабильности расплавленной ванны, неравномерной передаче энергии, а также к потере материала и отклонению состава.
➡️ В процессе обработки магниевого сплава образующиеся искры легко прожигают расходные материалы, что приводит к увеличению затрат; разбрызгиваемая пыль и дым легко попадают обратно во внутреннюю оптическую систему.
➡️ При лазерной обработке сложно в реальном времени точно контролировать мониторинг, управление стабильностью процесса затруднено.
Кольцевой световой пучок Tongli решает проблему 3D-печати с лазерной подачей проволоки для магниевых сплавов
Tongli Laser, как один из первых отечественных производителей лазерных головок для соосной массовой подачи проволоки и порошка, тестировал пробную печать многочисленными проволоками, такими как титановые сплавы, полный ряд алюминиевых сплавов, медные сплавы, In718, кобальтовые сплавы, высокоэнтропийные сплавы, высокоуглеродистые высокохромистые и баббитовые сплавы и т.д., но ни один из этих материалов не был сложнее в печати, чем магниевый сплав.
При первом же испытании на магниевых сплавах инженеры Tongli были «поставлены в положение, требующее немедленного действия»: пользователи ранее пробовали различные оптические схемы — многопучковые, кольцевые и другие — но результаты либо давали неудачную форму ванны расплава, либо не обеспечивали формообразование.
Инженеры Tongli, исходя из результатов обработки, постоянно настраивали мощность, скорость сканирования и другие параметры, в ходе испытаний выявив, что их схема с кольцевым пятном позволяет осуществлять 3D-печать магниевых сплавов.
Схема 3D-печати с кольцевым пятном от Tongli не предъявляет требований к направлению или углу траектории обработки: магниевый проволочный материал подается соосно, а полое кольцевое сечение пучка световой энергии непосредственно фокусируется в зоне пересечения между проволокой и поверхностью изделия.
Этот процесс обеспечивает всенаправленное распределение интенсивности пучка и равномерный предварительный нагрев, полностью контролирует ввод энергии в процессе обработки, предотвращая нестабильность ванны расплава и неравномерную передачу энергии, а следовательно — и образование пор и трещин.
По сравнению с порошком магниевого сплава, использование проволоки из магниевого сплава обеспечивает более высокий коэффициент использования и эффективность обработки, при этом риски также меньше; возможно даже сочетание питания горячей нити/дуги с лазером, что дополнительно повышает эффективность обработки.
Одновременно двухслойная система уплотнения лазерной головы и узел сопла также препятствуют обратному попаданию шлака и возгоранию магниевого сплава, защищают внутреннюю оптическую систему и снижают затраты на расходные материалы.
Однако при обработке магниевых сплавов возможны возгорания и чувствительность к фокусу лазера, а также рассеивание, вызванное пылью и аэрозолями во время обработки; чтобы сделать процесс более стабильным, инженеры в зависимости от состояния плавильной ванны регулируют ручку фокусировки и в реальном времени корректируют мощность обработки, обеспечивая требуемый результат.
Совместная подача магниевой проволоки и порошка — попытка расширить возможности 3D-печати
Изначально Tongli опробовал магниевые сплавы серии AZ; по мере увеличения наработки лазерных головок в полевых применениях были массово испытаны редкоземельные магниевые сплавы, проволоки типа ZK61 и другие. Технологические окна у сплавов разных марок и при незначительной окисленности значительно различаются, сложность формообработки разная, но все они поддаются формованию.
Коаксиальная подача проволоки и порошка в лазерной голове: возможна подача только проволоки, только порошка, одновременно проволоки и порошка, а также послойная подача — один слой проволоки, затем один слой порошка; способы подготовки материала гибкие.
Подача проволоки, подача порошка и их совместная подача контролируются централизованно; отдельные обрабатывающие блоки могут работать автономно. Диаметр проволоки 0,8 мм–3,0 мм, фракция порошка 20–800 μм; количество бункеров для порошка — одинарный, двойной или по индивидуальному заказу.
Магниевые сплавные проволоки + редкоземельный порошок, магниевые сплавные проволоки + титановой порошок, осуществлена ин-ситу подготовка металлических матричных композитов; это важно для модификации материалов, при лазерной аддитивной производстве индивидуальных деталей и повышении эксплуатационных характеристик, а также позволяет снизить производственные затраты.
Оптика: собственная разработка коаксиальной кольцевой системы разделяющих зеркал, точно распределяющая энергию по внутреннему и внешнему кольцу оптического пути. Внешнее кольцо предварительно разогревает заготовку, внутреннее плавит проволоку, что устраняет неплавление или пережигание проволоки с корня и обеспечивает почти 100% использование материала.
Термоконтроль: многослойная кольцевая конструкция водяного охлаждения линз, разнесённое охлаждение для камер зеркал, корпуса и интерфейса подачи. Внутреннее пространство полого кольцевого пятна позволяет водяным каналам доставлять охлаждение прямо к центру линзы, гарантируя её работу при постоянной температуре и обеспечивая длительную непрерывную работу оборудования при полной мощности 12 кВт.
Точная механика: микро- и наноуровневый коаксиальный монтажный процесс, интегрирующий лазерный оптический путь, канал подачи проволоки, канал защитного газа, а также датчики температуры, давления, влажности и рассеяния света, обеспечивая двойную стабильность при подаче проволоки большого расхода и передаче оптической мощности высокого уровня.
Гидродинамика: комбинированное использование каналов циркуляции охлаждающей воды и обтекательной ламинарной защиты эффективно подавляет разбрызгивание ванны расплава и повышает коэффициент использования лазерной энергии.
