Технологія лазерного адитивного виробництва (AM), яка має такі переваги, як висока точність виробництва, висока гнучкість і високий ступінь автоматизації, широко використовується у виробництві ключових компонентів у таких галузях, як автомобільна, медична, аерокосмічна тощо (таких як ракетобудування). паливні форсунки, кронштейни супутникової антени, людські імплантати тощо). Ця технологія може значно покращити ефективність комбінування друкованих частин завдяки інтегрованому виготовленню структури матеріалу та продуктивності. В даний час технологія лазерного адитивного виробництва зазвичай використовує сфокусований промінь Гауса з високим центром і низьким розподілом енергії по краях. Однак він часто створює високі температурні градієнти в розплаві, що призводить до подальшого утворення пор і грубих зерен. Технологія формування променя — це новий метод вирішення цієї проблеми, який покращує ефективність і якість друку шляхом регулювання розподілу енергії лазерного променя.
У порівнянні з традиційним відніманням і еквівалентним виробництвом технологія виробництва з додаванням металу має такі переваги, як короткий час виробничого циклу, висока точність обробки, високий рівень використання матеріалу та хороша загальна продуктивність деталей. Тому технологія виробництва металевих добавок широко використовується в таких галузях, як аерокосмічна промисловість, зброя та обладнання, атомна енергетика, біофармацевтика та автомобільна промисловість. Базуючись на принципі дискретного укладання, виробництво металевих добавок використовує джерело енергії (наприклад, лазер, дугу або електронний промінь) для плавлення порошку або дроту, а потім укладають їх шар за шаром для виготовлення цільового компонента. Ця технологія має значні переваги у виробництві невеликих партій, складних конструкцій або персоналізованих деталей. Матеріали, які неможливо або важко обробити традиційними методами, також придатні для приготування за допомогою адитивних методів виробництва. Завдяки вищезазначеним перевагам технологія адитивного виробництва привернула широку увагу вчених як усередині країни, так і за кордоном. За останні кілька десятиліть технологія адитивного виробництва досягла швидкого прогресу. Завдяки автоматизації та гнучкості обладнання для виробництва лазерних добавок, а також комплексним перевагам високої щільності лазерної енергії та високої точності обробки, технологія виробництва лазерних добавок розвинулася найшвидше серед трьох технологій виробництва металевих добавок, згаданих вище.
Технологію лазерного виробництва металевих добавок можна далі розділити на LPBF і DED. На рисунку 1 показана типова принципова схема процесів LPBF і DED. Процес LPBF, також відомий як селективне лазерне плавлення (SLM), дозволяє виготовляти складні металеві компоненти шляхом сканування високоенергетичних лазерних променів уздовж фіксованого шляху на поверхні шару порошку. Потім порошок шар за шаром плавиться і застигає. Процес DED в основному включає два процеси друку: лазерне осадження з плавлення та виробництво добавок для лазерної подачі дроту. Обидві ці технології можуть безпосередньо виготовляти та ремонтувати металеві деталі шляхом синхронної подачі металевого порошку або дроту. У порівнянні з LPBF, DED має вищу продуктивність і більшу виробничу площу. Крім того, цей метод також може зручно готувати композитні матеріали та функціонально сортовані матеріали. Однак якість поверхні деталей, надрукованих DED, завжди низька, і подальша обробка необхідна для підвищення точності розмірів цільового компонента.
У поточному процесі лазерного адитивного виробництва джерелом енергії зазвичай є сфокусований промінь Гауса. Однак завдяки своєму унікальному розподілу енергії (високий центр, низький край) він, ймовірно, спричинить високі температурні градієнти та нестабільність басейну розплаву. Це призводить до поганої якості формування друкованих частин. Крім того, якщо центральна температура басейну розплаву занадто висока, це призведе до випаровування металевих елементів з низькою температурою плавлення, що ще більше посилить нестабільність процесу LBPF. Тому зі збільшенням пористості механічні властивості та довговічність друкованих деталей значно знижуються. Нерівномірний розподіл енергії пучків Гауса також призводить до низької ефективності використання лазерної енергії та надмірних витрат енергії. Щоб досягти кращої якості друку, вчені почали досліджувати компенсацію дефектів променів Гауса шляхом зміни параметрів процесу, таких як потужність лазера, швидкість сканування, товщина шару порошку та стратегія сканування, щоб контролювати можливість введення енергії. Через дуже вузьке вікно обробки цього методу фіксовані фізичні обмеження обмежують можливість подальшої оптимізації. Наприклад, збільшення потужності лазера та швидкості сканування може досягти високої ефективності виробництва, але часто відбувається за рахунок зниження якості друку. В останні роки зміна розподілу лазерної енергії за допомогою стратегій формування променя може значно підвищити ефективність виробництва та якість друку, що може стати майбутнім напрямком розвитку технології лазерного адитивного виробництва. Технологія формування променя зазвичай стосується регулювання розподілу хвильового фронту вхідного променя для отримання бажаного розподілу інтенсивності та характеристик поширення. Застосування технології формування балки в технології адитивного виробництва металу показано на рисунку 2.
Застосування технології формування променя в лазерному адитивному виробництві
Недоліки традиційного гауссового друку
У технології металевого лазерного адитивного виробництва розподіл енергії лазерного променя має значний вплив на якість друкованих деталей. Незважаючи на те, що гауссові промені широко використовувалися в устаткуванні для виробництва металевих лазерів, вони страждають від серйозних недоліків, таких як нестабільна якість друку, низьке використання енергії та вузькі технологічні вікна в процесі адитивного виробництва. Серед них процес плавлення порошку та динаміка розплавленої ванни під час процесу лазерної добавки металу тісно пов’язані з товщиною шару порошку. Через наявність розбризкування порошку та зон ерозії фактична товщина шару порошку вища за теоретичне очікування. По-друге, стовп пари викликав головні бризки зворотного струменя. Пари металу стикаються із задньою стінкою, утворюючи бризки, які розбризкуються вздовж передньої стінки перпендикулярно до увігнутої області ванни розплаву (як показано на малюнку 3). Через складну взаємодію між лазерним променем і бризками, викинуті бризки можуть серйозно вплинути на якість друку наступних шарів порошку. Крім того, утворення замкових щілин у ванні розплаву також серйозно впливає на якість друкованих деталей. Внутрішні пори друкованої частини в основному викликані нестабільними замковими отворами.
Механізм утворення дефектів у технології формування пучка
Технологія формування променя може досягти підвищення продуктивності в кількох вимірах одночасно, що відрізняється від гауссових променів, які покращують продуктивність в одному вимірі ціною жертвування іншими вимірами. Технологія формування променя може точно регулювати розподіл температури та характеристики потоку ванни розплаву. Контролюючи розподіл лазерної енергії, можна отримати відносно стабільну купу розплаву з невеликим градієнтом температури. Відповідний розподіл лазерної енергії є корисним для придушення пористості та дефектів розпилення, а також покращення якості лазерного друку на металевих частинах. Це може досягти різних покращень ефективності виробництва та використання порошку. У той же час технологія формування променя надає нам більше стратегій обробки, значно звільняючи свободу проектування процесу, що є революційним прогресом у технології лазерного адитивного виробництва.
Час публікації: 28 лютого 2024 р
