Technologia laserowego wytwarzania przyrostowego (AM), ze swoimi zaletami, takimi jak wysoka dokładność produkcji, duża elastyczność i wysoki stopień automatyzacji, jest szeroko stosowana w produkcji kluczowych komponentów w takich dziedzinach jak motoryzacja, medycyna, lotnictwo itp. (takich jak rakiety dysze paliwowe, wsporniki anten satelitarnych, implanty ludzkie itp.). Technologia ta może znacznie poprawić wydajność kombinacji drukowanych części poprzez zintegrowane wytwarzanie struktury materiału i wydajności. Obecnie technologia wytwarzania przyrostowego laserem zazwyczaj wykorzystuje skupioną wiązkę Gaussa z rozkładem energii wysoko w środku i na dolnej krawędzi. Często jednak generuje wysokie gradienty termiczne w stopie, co prowadzi do późniejszego tworzenia się porów i grubych ziaren. Nową metodą rozwiązania tego problemu jest technologia kształtowania wiązki, która poprawia wydajność i jakość druku poprzez regulację rozkładu energii wiązki lasera.
W porównaniu z tradycyjnym odejmowaniem i równoważną produkcją, technologia wytwarzania przyrostowego metali ma zalety, takie jak krótki czas cyklu produkcyjnego, wysoka dokładność przetwarzania, wysoki stopień wykorzystania materiału i dobra ogólna wydajność części. Dlatego technologia wytwarzania dodatków do metali jest szeroko stosowana w branżach takich jak przemysł lotniczy, broń i sprzęt, energia jądrowa, biofarmaceutyki i samochody. Opierając się na zasadzie dyskretnego układania, produkcja przyrostowa metali wykorzystuje źródło energii (takie jak laser, łuk lub wiązka elektronów) do stopienia proszku lub drutu, a następnie układa je warstwa po warstwie w celu wytworzenia docelowego komponentu. Technologia ta ma znaczące zalety w produkcji małych serii, złożonych konstrukcji lub spersonalizowanych części. Materiały, których nie można lub są trudne w obróbce tradycyjnymi technikami, nadają się również do przygotowania metodami wytwarzania przyrostowego. Ze względu na powyższe zalety technologia wytwarzania przyrostowego cieszy się szerokim zainteresowaniem naukowców zarówno w kraju, jak i za granicą. W ciągu ostatnich kilku dekad technologia wytwarzania przyrostowego poczyniła szybki postęp. Ze względu na automatyzację i elastyczność urządzeń do wytwarzania przyrostowego laserem, a także wszechstronne zalety wysokiej gęstości energii lasera i wysokiej dokładności przetwarzania, technologia wytwarzania przyrostowego laserem rozwinęła się najszybciej spośród trzech wymienionych powyżej technologii wytwarzania przyrostowego metali.
Technologię laserowego wytwarzania przyrostowego metali można dalej podzielić na LPBF i DED. Rysunek 1 przedstawia typowy schemat procesów LPBF i DED. Proces LPBF, znany również jako selektywne stapianie laserowe (SLM), umożliwia wytwarzanie złożonych elementów metalowych poprzez skanowanie wysokoenergetycznych wiązek laserowych wzdłuż stałej ścieżki na powierzchni złoża proszku. Następnie proszek topi się i zestala warstwa po warstwie. Proces DED obejmuje głównie dwa procesy drukowania: osadzanie poprzez stapianie laserowe i wytwarzanie przyrostowe z podawaniem drutu laserowego. Obie te technologie umożliwiają bezpośrednią produkcję i naprawę części metalowych poprzez synchroniczne podawanie proszku metalowego lub drutu. W porównaniu do LPBF, DED ma wyższą produktywność i większą powierzchnię produkcyjną. Ponadto tą metodą można również w wygodny sposób przygotować materiały kompozytowe i materiały o gradacji funkcjonalnej. Jednakże jakość powierzchni części drukowanych metodą DED jest zawsze niska i konieczna jest dalsza obróbka w celu poprawy dokładności wymiarowej docelowego elementu.
W obecnym procesie wytwarzania przyrostowego laserem źródłem energii jest zwykle skupiona wiązka Gaussa. Jednakże, ze względu na unikalny rozkład energii (wysoki środek, dolna krawędź), może powodować duże gradienty termiczne i niestabilność jeziorka. Powoduje to słabą jakość formowania drukowanych części. Ponadto, jeśli temperatura w środku roztopionego jeziorka jest zbyt wysoka, spowoduje to odparowanie elementów metalowych o niskiej temperaturze topnienia, co jeszcze bardziej pogorszy niestabilność procesu LBPF. Dlatego wraz ze wzrostem porowatości właściwości mechaniczne i trwałość zmęczeniowa drukowanych części znacznie się zmniejszają. Nierównomierny rozkład energii wiązek Gaussa prowadzi również do niskiej efektywności wykorzystania energii lasera i nadmiernych strat energii. Aby osiągnąć lepszą jakość druku, uczeni zaczęli badać kompensację defektów wiązek Gaussa poprzez modyfikację parametrów procesu, takich jak moc lasera, prędkość skanowania, grubość warstwy proszku i strategia skanowania, w celu kontrolowania możliwości wprowadzenia energii. Ze względu na bardzo wąskie okno przetwarzania tej metody, ustalone ograniczenia fizyczne ograniczają możliwość dalszej optymalizacji. Na przykład zwiększenie mocy lasera i szybkości skanowania może zapewnić wysoką wydajność produkcji, ale często odbywa się to kosztem pogorszenia jakości druku. W ostatnich latach zmiana rozkładu energii lasera poprzez strategie kształtowania wiązki może znacząco poprawić wydajność produkcji i jakość druku, co może stać się przyszłym kierunkiem rozwoju technologii laserowego wytwarzania przyrostowego. Technologia kształtowania wiązki ogólnie odnosi się do dostosowywania rozkładu czoła fali wiązki wejściowej w celu uzyskania pożądanego rozkładu natężenia i charakterystyki propagacji. Zastosowanie technologii kształtowania belki w technologii wytwarzania przyrostowego metali przedstawiono na rysunku 2.
Zastosowanie technologii kształtowania wiązki w laserowym wytwarzaniu przyrostowym
Wady tradycyjnego druku wiązką gaussowską
W technologii przyrostowego wytwarzania laserowego metali rozkład energii wiązki lasera ma znaczący wpływ na jakość drukowanych części. Chociaż wiązki Gaussa są szeroko stosowane w sprzęcie do wytwarzania przyrostowego za pomocą lasera metalowego, mają one poważne wady, takie jak niestabilna jakość druku, niskie zużycie energii i wąskie okna procesowe w procesie wytwarzania przyrostowego. Wśród nich proces topienia proszku i dynamika stopionego jeziorka podczas procesu dodatku laserowego metalu są ściśle powiązane z grubością warstwy proszku. Ze względu na obecność stref rozprysków i erozji proszku rzeczywista grubość warstwy proszku jest większa od teoretycznej. Po drugie, słup pary spowodował główne rozpryski strumienia wstecznego. Opary metalu zderzają się z tylną ścianą, tworząc rozpryski, które są rozpylane wzdłuż przedniej ściany prostopadle do wklęsłej powierzchni roztopionego jeziorka (jak pokazano na rysunku 3). Ze względu na złożoną interakcję wiązki lasera z odpryskami, wyrzucane odpryski mogą poważnie wpłynąć na jakość druku kolejnych warstw proszku. Ponadto powstawanie dziurek od klucza w jeziorku stopu również poważnie wpływa na jakość drukowanych części. Wewnętrzne pory drukowanego elementu powstają głównie w wyniku niestabilnych otworów blokujących.
Mechanizm powstawania wad w technologii kształtowania belek
Technologia kształtowania wiązki może osiągnąć poprawę wydajności w wielu wymiarach jednocześnie, co różni się od wiązek Gaussa, które poprawiają wydajność w jednym wymiarze kosztem rezygnacji z innych wymiarów. Technologia kształtowania wiązki pozwala dokładnie dostosować rozkład temperatury i charakterystykę przepływu jeziorka. Kontrolując rozkład energii lasera, uzyskuje się stosunkowo stabilne jeziorko stopionego o małym gradiencie temperatury. Odpowiedni rozkład energii lasera korzystnie wpływa na ograniczenie porowatości i defektów związanych z rozpylaniem oraz poprawę jakości druku laserowego na częściach metalowych. Może osiągnąć różne ulepszenia wydajności produkcji i wykorzystania proszku. Jednocześnie technologia kształtowania wiązki zapewnia nam więcej strategii przetwarzania, znacznie uwalniając swobodę projektowania procesu, co stanowi rewolucyjny postęp w technologii wytwarzania przyrostowego laserem.
Czas publikacji: 28 lutego 2024 r
