ניטור אקוסטי - האם זה המפתח למסחר של ייצור תוסף מבוסס לייזר?

שוק הייצור התוסף נמצא במגמת עלייה. כפי ש הערכות מחקר בתעשייה מציינים, שוק ייצור תוספי המתכות והפולימרים העולמי, עם שווי של 7.17 מיליארד יורו בשנת 2020, צפוי להתרחב ל-19.23 מיליארד יורו עד 2026. מסלול צמיחה זה מצביע על עלייה של כמעט פי XNUMX בתוך תקופה של שש שנים.

מגוון תעשיות ממנפות ייצור תוסף כדי להשיג את יעדי הייצור שלהן. יש לציין כי דיווחים מצביעים על כך שמגזרי התעופה, הטורבינות והמסוקים מובילים את המטען, תופסים את החלק הגדול ביותר. זה מלווה מקרוב באימוץ משמעותי בתעשיית הרפואה.

עם גודלו ההולך וגדל של השוק ומגוון יישומים הולך ומתרחב, הייצור התוסף הלך וגוון מאוד, הן בצורה והן ביישום. התפתחות בולטת בתחום זה היא ייצור תוספים מבוסס לייזר. בסעיפים הבאים נעמיק בפוטנציאל המסחרי שלו ובתפקיד המשמעותי שיכול למלא ניטור אקוסטי ביישומו המוצלח.

עם זאת, לפני בחינת היבטים אלו לעומק, חשוב להבין תחילה מה בעצם כולל ייצור תוספים מבוסס לייזר.

מהו ייצור תוסף מבוסס לייזר?

השמיים בית הספר לניהול Sloan MIT מגדיר ייצור תוסף כ"תהליך של יצירת אובייקט על ידי בנייתו שכבה אחת בכל פעם. זה ההפך מייצור חיסור, שבו אובייקט נוצר על ידי חיתוך בגוש מוצק של חומר עד להשלמת המוצר הסופי".

לפי הגדרה, ייצור תוסף עשוי להיות כל תהליך של יצירת מוצר על ידי בניית משהו. אבל מבחינה מעשית, זה מתייחס להדפסה תלת מימדית.

אם נסתכל על ההיסטוריה של הדפסת תלת מימד, זה התחיל בשנת 3 כאשר ווין קלי סווינסון רשמה פטנט על שימוש ממוקד בלייזר על גבי מגש שקוע בפלסטיק נוזלי, תוך היתוך שכבה של פלסטיק מוצק מעל. בשנת 1977, חוקרי מכון ויק פורסט לרפואה רגנרטיבית תלת מימד הדפיסו שלפוחית ​​השתן. יצא שזה האיבר המודפס בתלת-ממד הראשון בהיסטוריה האנושית. הרהיטים המודפסים התלת-ממדיים הפונקציונליים הראשונים נוצרו בשנת 1999. שימוש תעשייתי בקנה מידה גדול יותר בהדפסה תלת-ממדית היה כאשר בואינג השיקה את חלקי הטיטניום המודפסים בתלת-ממד עבור ה-3 Dreamliner שאושרו על ידי ה-FAA.

מאז תחילת הייצור התוסף, הלייזרים היו מרכיב מכריע. לייזר מערכות אירופה, פרסום מבוסס קיימברידג'שייר עבור אינטגרטורים ומשתמשים של מערכות לייזר תעשייתיות לעיבוד חומרים, מגדיר ייצור תוסף לייזר כתהליך שבו "קרן לייזר משמשת להתיך או להמיס שכבות עוקבות של חוט או אבקה יחד ליצירת אובייקט תלת מימדי. ”

הטכנולוגיה חלה על מגוון חומרים, כולל סגסוגות מתכת בעלות חוזק גבוה לתרמופלסטיים ושרף. הוא מסוגל ליצור צורות מורכבות ברמת דיוק משמעותית.

ככל שהטכנולוגיה מתקדמת, לייזרים מוגדרים לשחק א תפקיד חיוני בעיצוב העתיד שלנו. היישום שלה ניתן למצוא בשפע בתחומי התקשורת, הביטחון, הבריאות, אנרגיה נקייה/ היתוך גרעיני ועוד. כך גם בייצור תוספים מבוסס לייזר, שכן גם לו יש יישומים מגוונים ויתרונות רבים.

לחץ כאן כדי ללמוד כיצד לייזרים אמורים למלא תפקיד מרכזי בעשורים הקרובים עם התקדמות הטכנולוגיה.

סוגים ויתרונות של ייצור תוספים מבוסס לייזר

ייצור תוספים מבוסס לייזר יכול להיות מסוגים שונים, כולל היתוך של מיטת אבקה, שקיעת אנרגיה ישירה, הזרקת חומרים, למינציה של גיליונות וסטריאוליטוגרפיה.

אחד היתרונות המובהקים ביותר שלו טמון ביכולתו לסייע ביצירת מבנים מורכבים עם גיאומטריות אופטימליות. טכניקות קונבנציונליות של ייצור תוספים לא מצליחות להשיג רמת דיוק זו.

הדיוק שיש לייצור תוספים מבוסס לייזר להציע עוזר לצמצם את הצורך בעיבוד לאחר. זה מוריד את פסולת החומר למינימום שלו ומפחית את צריכת האנרגיה באופן דרסטי בהשוואה למה שתהליכי ייצור מסורתיים צריכים.

קל לבצע אוטומציה והתאמה אישית של תהליכי ייצור תוספים מבוססי לייזר לפי הצורך המדויק. מאפייני הדיוק והאוטומציה של השיטה חוברים יחד כדי להפוך אותה לפתרון יעיל ליצירת אב טיפוס מהיר בנקודות עלות נמוכות במיוחד.

מכיוון שייצור תוספים מבוסס לייזר אינו מצריך הרכבה, ניתן ליצור אותו בהתאמה מדויקת לביקוש, כאשר בתהליך נעשה שימוש בחומרים הדרושים בלבד ללא כל עודף או בזבוז. זה גם מועיל לסביבה שלנו על ידי הפחתת טביעת הרגל הפחמנית שנוצרת ממאמצי לוגיסטיקה, תחבורה וניהול פסולת.

אזורי יישומים של ייצור תוסף מבוסס לייזר

ליישום של ייצור תוסף לייזר יש היקף גדול. בתעשיית התעופה והחלל, למשל, זה חשוב ביצירת חלקים בעלי ביצועים גבוהים וקל משקל. היתרונות של טכנולוגיה זו מגיעים גם לתעשיית הרכב, שם היא משמשת לייצור רכיבים חיוניים למנועים, תיבת הילוכים, מערכות פליטה ובלמים.

בנוסף, לייצור תוספים בלייזר יש תפקיד משמעותי בתחום הבריאות, במיוחד ביצירת עיצובים מורכבים ספציפיים למטופל. זה כולל מגוון פתרונות תותבים כמו השתלות ירך וברכיים והשתלת שיניים.

בתחום האלקטרוניקה, הדיוק של ייצור תוספים בלייזר ממונף ליצירת PCBs בעלי דיוק גבוה. דיוק זה מאפשר ייצור של מוצרים אלקטרוניים עם תכונות עדינות יותר, כולל אנטנות, חיישנים וטרנזיסטורים.

הפוטנציאל של הטכנולוגיה ניכר גם ביישום שלה בייצור מערכות מיקרו-אלקטרומכניות (MEMS). כאן, זה מקל על יצירת רכיבים מורכבים כמו מדי תאוצה וג'ירוסקופים.

בתחום האנרגיה, ייצור תוסף לייזר מוכיח את עצמו כמועיל לתיקון חלקי גז וטורבינות רוח. זה גם ממלא תפקיד קריטי בייצור רכיבים כמו אימפלרים, שסתומים ומחלפי חום. אבל למרות פוטנציאל השימוש הרב-גוני של ייצור תוספים בלייזר, הוא עדיין לא הפך למסחור הולם.

ייצור תוסף לייזר: חסר מסחור

מחקר משנת 2016 התעמק בניתוח האמפירי של רמות המסחור של ייצור תוספים בלייזר. חקירה זו העריכה את גודל שוק הלייזר התעשייתי העולמי, המקיף את כל מקורות הלייזר, בסביבה US $ 3.3 מיליארד דולר. ובתוך השוק הנרחב הזה, מקורות לייזר תוספים ייצגו חלק של 100 מיליון דולר בלבד. באחוזים, מקורות הלייזר היוו 3% בלבד משווי השוק הכולל.

ניתן לאשש את המספרים גם על ידי מידע איכותי שהתקבל ממקורות בתעשייה. לדוגמה, בתעשיית התעופה והחלל, האווירה הרגולטורית שמרה על השימוש בייצור תוסף לייזר מוגבל במידה רבה ליצירת אב טיפוס ולא ניתן היה לפרוס אותו במטוסים מסחריים. באופן דומה, בתעשיית הרכב, השימוש המאושר בחלקי ייצור תוספים לייזר החל רק לאחרונה.

הצמיחה הממשמשת ובאה של ייצור תוספים בלייזר תהיה, לפיכך, תלויה במציאת השימוש בו בתעשיות ייצור גדולות. בנוסף, זה יצטרך להיות מתודלק על ידי חידושים, לבטא את הפוטנציאל שלו בצורה בולטת יותר מבעבר.

ניטור אקוסטי: מחליף משחק לייצור תוסף לייזר

סיבה מרכזית לכך שייצור תוספים מבוסס לייזר לא תפס את התנופה שיכולה להיות קשורה לאתגר של פגמים בלתי צפויים. פגמים אלו לרוב אינם ניתנים לזיהוי בשיטות מסורתיות, כגון הדמיה תרמית ואלגוריתמים של למידת מכונה.

לכן, היכולת לזהות פגמים ביעילות בזמן אמת היא חיונית. יכולת זו יכולה לסייע באופן משמעותי לייצור תוסף לייזר במימוש הפוטנציאל המסחרי האמיתי שלו.

כדי להסביר בקצרה, דרך הניטור האקוסטי לאיתור פגמים בייצור תוסף לייזר הוא פתרון בזמן אמת שפועל על ההבדל בצליל שהמדפסת משמיעה במהלך הדפסה מושלמת והדפסה עם פגמים ואי סדרים.

בעודו מדבר על הרלוונטיות של ניטור אקוסטי כאמצעי לאיתור פגמים בייצור תוספים לייזר, אמר פרופסור רולנד לוג, ראש המעבדה למטלורגיה תרמו-מכנית, בית הספר להנדסה של EPFL:

"המחקר שלנו לא רק מאשר את הרלוונטיות שלו אלא גם מדגיש את היתרון שלו על פני שיטות מסורתיות."

התהליך חסכוני, במיוחד כשמדובר בשיפור האיכות של מוצרים המיוצרים באמצעות Laser Powder Bed Fusion (LPBF). בתהליך ה- Laser Powder Bed Fusion, שכבת אבקה מתפזרת על פני פלטפורמת בנייה. לאחר מכן משתמשים בקרן הלייזר להמסה סלקטיבית של האבקה באזורים ספציפיים. לאחר השלמת האיחוי, וכתוצאה מכך נוצר חפץ מוצק, מורחים שוב שכבה חדשה של אבקה מלמעלה כדי לחזור על התהליך. חזרה זו שכבה אחר שכבה נמשכת עד להשגת התוצר הסופי.

לחץ כאן לרשימה של מניות ייצור תוספים והדפסות תלת מימד המובילות.

הטכנולוגיה של זיהוי פגמים באמצעות ניטור אקוסטי

צוות EPFL הגה את העיצוב בשיתוף עם מכון פול שרר (PSI) והמעבדות הפדרליות של שוויץ למדע וטכנולוגיה של חומרים (Empa).

כדי לעמוד במטרה שלהם, הצוות פרס מיקרופונים רגישים במיוחד בתוך תא ההדפסה. מיקרופונים אלה עזרו לגלות שינויים ברורים באות האקוסטי במהלך שינויי משטר, ובסופו של דבר, הם עזרו לזהות פגמים בייצור.

המחקר הביא ערך לתחום ייצור תוסף לייזר, שכן חוקרים מאמינים שהממצאים שלהם ישפיעו באופן משמעותי על היישומים התעשייתיים של ייצור תוסף לייזר, כולל תחומי התעופה והחלל והייצור המדויק.

בהתחשב בהשלכות הרחבות יותר, חברות רבות העוסקות בייצור תוספים לייזר מציעות מגוון מוצרים ופתרונות. חברות אלה מוכנות כעת לחקור את המחקר עוד יותר כדי לשלב את היתרונות בתהליכים שלהן. ובקטעים הבאים, נבחן כמה מהשחקנים החדשניים והמובילים הללו לייצור תוספים לייזר.

חברות מובילות הממסחרות ייצור תוספים מבוסס לייזר

# 1. IPG Photonics Corporation

שניים מתוך תהליכי ייצור תוספים בלייזר להשתמש בלייזרי IPG: LMD או לייזר מתכת Deposition ו-SLM או סלקטיבי לייזר המסת. בעוד ש-SLM מסייעת בייצור חלקים מתכתיים צפופים לחלוטין עם תכונות מכניות משופרות, תהליך ה-LMD משתמש בזרבובית להזנת אבקה קואקסית לתוך נקודת הלייזר הממוקדת, ומקל על ייצור רכיבים מתכתיים פונקציונליים צפופים לחלוטין.

בשיפור התהליכים הללו, לייזרים סיבים IPG ממלאים תפקיד מכריע. הם מכריעים בפיתוח מערכות ותהליכים המשיגים קצב הצטברות אבקה או שקיעת אבקה מהירים יותר, במיוחד ברמות כוח מרובות קילוואט.

מגוון החומרים התואמים לתהליך ייצור תוסף הלייזר של IPG מגוון במיוחד, כולל, אך לא רק:

• פולימרים
• CoCr
• אֲלוּמִינְיוּם
• סגסוגות Ti
• פלדה אל חלד
• פלדות כלי עבודה

תאגיד IPG Photonics מוכיח את הצלחת ההתקדמות הטכנולוגית הללו, דיווחה על תוצאות כספיות חזקות לשנה שהסתיימה ב-31 בדצמבר 2022. החברה רשמה הכנסות העולה על 1.4 מיליארד דולר, עם רווח נקי המיוחס ל-IPG Photonics Corporation למניה רגילה (בסיסית) של 2.17 דולר ארה"ב.

# 2. חידושי המסת לייזר (LMI) 

ייצור תוסף לייזר חדשני ספק פתרונות, LMI, פועלת מתוך חזון להנגיש את הטכנולוגיה לחברות מכל הסוגים והגדלים.

מוצר הדגל שלה, The Alpha 140, פורס לייזר סיב מקורר באוויר עם הספק של 200W, התואם לעיבוד נירוסטה, סגסוגות ניקל, סגסוגות פלדת כלי וסגסוגות אלומיניום. קוטר המיקוד של 140 מיקרומטר עוזר להפיק פלטים מדויקים עם פרטים עדינים וקירות דקים. מערכת הצירים המונעת בציר מסייעת להשיג מיקום גבוה ודיוק חוזר.

מידות המערכת בגודל 1.75mX0.95 מ' מאפשרות יעילות שטח בסביבות כמו גם במעבדות מחקר. רכיבים המיוצרים על ידי Alpha 140 דומים לאלה המיוצרים על ידי מכונות ה-LPBF הרגילות בחוזק ובצפיפות.

LMI נוסדה בשנת 1996, ובשנת 2020, היא יצרה שיתוף פעולה עם Kurtz Ersa, בונה מכונות המציע גם פתרונות ייצור תוספים לתעשיות כגון רכב, רפואה וחלל, כדי לשווק את Alpha 140 דרך רשת ההפצה העולמית של Kurtz Ersa עם שירות 24 שעות ביממה.

# 3. תוסף פרימה 

פרימה אדיטיב, חטיבה של ספא פרימה תעשיות, מציעה לייזר פאודר מיטת פיוז'ן (LPBF) או פתרונות Selective Laser Melting הממנפים את האנרגיה התרמית של הלייזר למיזוג קטע של אובייקט לשכבה של אבקה מתכתית.

פתרונות הלייזר התוספים הפרימאטיביים מתגלים כיעילים כאשר עובדים לקראת גיאומטריות מורכבות, מערכות ייצור אצווה קטנות ואבות טיפוס. יש לו חמישה פתרונות בסך הכל.

Print Sharp 150 יעיל ביישומי מו"פ לעיבוד מגוון חומרים, כגון פלדה, אלומיניום, ניקל, טיטניום וסגסוגות כרום קובלט.

מעבר לדגם אחר, ה-Print Genius 150 בולט בזכות הרבגוניות של טכנולוגיית ריבוי הלייזרים שלו. לעומת זאת, גרסת ה-Print Green 150 משתמשת בלייזר ירוק, שהוא שימושי במיוחד לעיבוד נחושת טהורה, סגסוגות נחושת וחומרים מחזירי אור.

ולפעולות בקנה מידה גדול יותר, פתרון 300 Family מתאים לחשבון בצורה מושלמת. הוא מיועד לתרחישים של פרודוקטיביות גבוהה ואידיאלי לייצור רכיבים בינוניים וגדולים.

לבסוף, ה-Print Genius 400 מציע אפשרות אוטומטית ביותר לייצור רכיבים גדולים בגובה של עד מטר אחד.

מבחינת הכנסות, רשמה פרימה תעשיות ספא, חברת האם של פרימה תוספים הכנסה נטו של יותר מ-327 מיליון יורו עבור תשעת החודשים שהסתיימו ב-30 בספטמבר 2022. זו הייתה עלייה ניכרת מההכנסות של יותר מ-281 מיליון יורו שנרשמו עבור תשעת החודשים שהסתיימו ב-30 בספטמבר 2021.

העתיד של ייצור תוסף לייזר עם ניטור אקוסטי ועוד

עם המשך החידושים, זה רק עניין של זמן לפני לייזר ייצור כתוסף מגיע לפוטנציאל המסחרי האמיתי שלו. בינתיים, ניטור אקוסטי נכנס לכלי חיוני. טכנולוגיה זו תתרום להפיכת טכניקות הייצור לעקביות יותר. על ידי זיהוי מוקדם של פגמים והקלה על תיקונם, הוא מוכן לשפר משמעותית את איכות המוצר בעתיד הקרוב.