Технологія лазерного адитивного виробництва (АМ), що має переваги високої точності виробництва, високої гнучкості та високого ступеня автоматизації, широко використовується у виробництві ключових компонентів у таких галузях, як автомобільна, медична, аерокосмічна тощо (таких як форсунки ракетного палива, кронштейни супутникових антен, людські імплантати тощо). Ця технологія може значно покращити комбіновану продуктивність друкованих деталей завдяки інтегрованому виробництву структури та характеристик матеріалу. Наразі технологія лазерного адитивного виробництва зазвичай використовує сфокусований гауссівський промінь з високим розподілом енергії в центрі та низьким розподілом енергії на краю. Однак він часто генерує високі теплові градієнти в розплаві, що призводить до подальшого утворення пор та грубих зерен. Технологія формування променя – це новий метод вирішення цієї проблеми, який покращує ефективність та якість друку шляхом регулювання розподілу енергії лазерного променя.
Порівняно з традиційним відніманням та еквівалентним виробництвом, технологія адитивного виробництва з металу має такі переваги, як короткий виробничий цикл, висока точність обробки, високий коефіцієнт використання матеріалу та хороша загальна продуктивність деталей. Тому технологія адитивного виробництва з металу широко використовується в таких галузях, як аерокосмічна промисловість, виробництво зброї та обладнання, ядерна енергетика, біофармацевтика та автомобілі. Заснована на принципі дискретного укладання, технологія адитивного виробництва з металу використовує джерело енергії (наприклад, лазер, дугу або електронний промінь) для розплавлення порошку або дроту, а потім укладає 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 підготовки за допомогою методів адитивного виробництва. Завдяки вищезазначеним перевагам технологія адитивного виробництва привернула широку увагу вчених як у країні, так і за кордоном. За останні кілька десятиліть технологія адитивного виробництва швидко прогресувала. Завдяки автоматизації та гнучкості обладнання для лазерного адитивного виробництва, а також комплексним перевагам високої щільності лазерної енергії та високої точності обробки, технологія лазерного адитивного виробництва розвивалася найшвидше серед трьох згаданих вище технологій адитивного виробництва з металу.
Технологію лазерного адитивного виробництва металу можна додатково розділити на LPBF та DED. На рисунку 1 показано типову схематичну діаграму процесів LPBF та DED. Процес LPBF, також відомий як селективне лазерне плавлення (SLM), може виготовляти складні металеві компоненти шляхом сканування високоенергетичних лазерних променів вздовж фіксованого шляху на поверхні порошкового шару. Потім порошок плавиться та твердне шар за шаром. Процес DED в основному включає два процеси друку: лазерне плавлення та адитивне виробництво з подачею лазерного дроту. Обидві ці технології дозволяють безпосередньо виготовляти та ремонтувати металеві деталі шляхом синхронної подачі металевого порошку або дроту. Порівняно з LPBF, DED має вищу продуктивність та більшу виробничу площу. Крім того, цей метод також дозволяє зручно виготовляти композитні матеріали та функціонально-градійовані матеріали. Однак якість поверхні деталей, надрукованих за допомогою DED, завжди низька, і для покращення розмірної точності цільового компонента потрібна подальша обробка.
У сучасному процесі лазерного адитивного виробництва джерелом енергії зазвичай є сфокусований гауссовий промінь. Однак, через свій унікальний розподіл енергії (високий центр, низький край), він може спричинити високі теплові градієнти та нестабільність ванни розплаву. В результаті якість формування друкованих деталей погана. Крім того, якщо температура в центрі ванни розплаву занадто висока, це призведе до випаровування металевих елементів з низькою температурою плавлення, що ще більше посилить нестабільність процесу лазерного полімеризації. Тому зі збільшенням пористості значно знижуються механічні властивості та довговічність друкованих деталей. Нерівномірний розподіл енергії гауссових променів також призводить до низької ефективності використання лазерної енергії та надмірних втрат енергії. Для досягнення кращої якості друку вчені почали досліджувати компенсацію дефектів гауссових променів шляхом зміни таких параметрів процесу, 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 можливості подальшої оптимізації. Наприклад, збільшення потужності лазера та швидкості сканування може досягти високої ефективності виробництва, але часто це пов'язано з погіршенням якості друку. В останні роки зміна розподілу лазерної енергії за допомогою стратегій формування променя може значно покращити 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 бажаних характеристик розподілу інтенсивності та поширення. Застосування технології формування променя в технології адитивного виробництва металів показано на рисунку 2.
Застосування технології формування променя в лазерному адитивному виробництві
Недоліки традиційного гауссового променевого друку
У технології адитивного виробництва металлазером розподіл енергії лазерного променя має значний вплив на якість друкованих деталей. Хоча гаусівські промені широко використовуються в обладнанні для адитивного виробництва металлазером, вони мають серйозні недоліки, такі як нестабільна якість друку, низьке використання енергії та вузькі вікна процесу адитивного виробництва. Серед них процес плавлення порошку та динаміка розплавленої ванни під час адитивного процесу металлазером тісно пов'язані з товщиною шару порошку. Через наявність зон розбризкування порошку та ерозії фактична товщина шару порошку вища за теоретичне очікування. По-друге, стовп пари спричинив основні зворотні бризки струменя. Пара металу стикається із задньою стінкою, утворюючи бризки, які розбризкуються вздовж передньої стінки перпендикулярно до увігнутої області ванни розплаву (як показано на рисунку 3). Через складну взаємодію між лазерним променем та бризками, викидані 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 друкованого виробу в основному спричинені нестабільними замковими отворами.
Механізм утворення дефектів у технології формування балок
Технологія формування променя може досягти покращення продуктивності в кількох вимірах одночасно, що відрізняється від гаусових променів, які покращують продуктивність в одному вимірі за рахунок жертвування іншими вимірами. Технологія формування променя може точно регулювати розподіл температури та характеристики потоку ванни розплаву. Контролюючи розподіл лазерної енергії, отримується відносно стабільна ванна розплаву з невеликим градієнтом температури. Відповідний розподіл лазерної енергії корисний для придушення дефектів пористості та розпилення, а також для покращення якості лазерного друку на металевих деталях. Це може досягти різних покращень ефективності виробництва та використання порошку. Водночас, технологія формування променя надає нам більше стратегій обробки, значно звільняючи свободу проектування процесів, що є революційним прогресом у технології лазерного адитивного виробництва.
Час публікації: 28 лютого 2024 р.
