Технологията за лазерно адитивно производство (AM) с нейните предимства на висока производствена точност, силна гъвкавост и висока степен на автоматизация се използва широко в производството на ключови компоненти в области като автомобилостроенето, медицината, космическата промишленост и др. (като ракетостроене горивни дюзи, скоби за сателитна антена, човешки импланти и др.). Тази технология може значително да подобри производителността на комбинацията от печатни части чрез интегрирано производство на структура на материала и производителност. Понастоящем технологията за лазерно адитивно производство обикновено приема фокусиран гаусов лъч с висок център и ниско разпределение на енергията по ръба. Въпреки това, той често генерира високи термични градиенти в стопилката, което води до последващо образуване на пори и едри зърна. Технологията за оформяне на лъча е нов метод за решаване на този проблем, който подобрява ефективността и качеството на печат чрез регулиране на разпределението на енергията на лазерния лъч.
В сравнение с традиционното изваждане и еквивалентното производство, технологията за производство на метални добавки има предимства като кратко време на производствен цикъл, висока точност на обработка, висока степен на използване на материала и добра цялостна производителност на частите. Следователно технологията за производство на метални добавки се използва широко в индустрии като космическата промишленост, оръжията и оборудването, ядрената енергия, биофармацевтичните продукти и автомобилите. Въз основа на принципа на дискретно подреждане, производството на метални добавки използва източник на енергия (като лазер, дъга или електронен лъч), за да разтопи праха или телта и след това ги подрежда слой по слой, за да произведе целевия компонент. Тази технология има значителни предимства при производството на малки партиди, сложни структури или персонализирани части. Материали, които не могат или са трудни за обработка с традиционни техники, също са подходящи за приготвяне с помощта на адитивни производствени методи. Поради горните предимства технологията за адитивно производство привлече широко внимание от страна на учени както в страната, така и в чужбина. През последните няколко десетилетия технологията за адитивно производство постигна бърз напредък. Поради автоматизацията и гъвкавостта на оборудването за производство на лазерни добавки, както и всеобхватните предимства на високата плътност на лазерната енергия и високата точност на обработката, технологията за производство на лазерни добавки се разви най-бързо сред трите технологии за производство на метални добавки, споменати по-горе.
Технологията за лазерно производство на метални добавки може да бъде допълнително разделена на LPBF и DED. Фигура 1 показва типична схематична диаграма на процеси LPBF и DED. Процесът LPBF, известен също като селективно лазерно топене (SLM), може да произвежда сложни метални компоненти чрез сканиране на високоенергийни лазерни лъчи по фиксиран път върху повърхността на прахообразно легло. След това прахът се топи и втвърдява слой по слой. Процесът DED включва основно два процеса на печат: лазерно отлагане чрез топене и производство на добавки за лазерно подаване на тел. И двете технологии могат директно да произвеждат и ремонтират метални части чрез синхронно подаване на метален прах или тел. В сравнение с LPBF, DED има по-висока производителност и по-голяма производствена площ. В допълнение, този метод може също така удобно да подготви композитни материали и функционално градирани материали. Въпреки това, качеството на повърхността на частите, отпечатани от DED, винаги е лошо и е необходима последваща обработка за подобряване на точността на размерите на целевия компонент.
В настоящия процес на производство на лазерни добавки, фокусираният Гаусов лъч обикновено е източникът на енергия. Въпреки това, поради уникалното си разпределение на енергията (висок център, нисък ръб), е вероятно да причини високи термични градиенти и нестабилност на басейна от стопилка. В резултат на лошо качество на формоване на отпечатаните части. Освен това, ако централната температура на разтопения басейн е твърде висока, това ще доведе до изпаряване на металните елементи с ниска точка на топене, което допълнително влошава нестабилността на процеса LBPF. Следователно, с увеличаване на порьозността, механичните свойства и животът на умора на отпечатаните части са значително намалени. Неравномерното разпределение на енергията на гаусовите лъчи също води до ниска ефективност на използване на енергията на лазера и прекомерна загуба на енергия. За да постигнат по-добро качество на печат, учените са започнали да изследват компенсирането на дефектите на гаусовите лъчи чрез модифициране на параметри на процеса като мощност на лазера, скорост на сканиране, дебелина на праховия слой и стратегия за сканиране, за да контролират възможността за входяща енергия. Поради много тесния прозорец за обработка на този метод, фиксираните физически ограничения ограничават възможността за по-нататъшна оптимизация. Например, увеличаването на лазерната мощност и скоростта на сканиране може да постигне висока производствена ефективност, но често идва с цената на пожертване на качеството на печат. През последните години промяната на разпределението на лазерната енергия чрез стратегии за оформяне на лъча може значително да подобри ефективността на производството и качеството на печат, което може да се превърне в бъдеща посока на развитие на технологията за производство на лазерни добавки. Технологията за оформяне на лъча обикновено се отнася до регулиране на разпределението на вълновия фронт на входния лъч, за да се получи желаното разпределение на интензитета и характеристиките на разпространение. Приложението на технологията за оформяне на лъча в технологията за производство на метални добавки е показано на фигура 2.
Приложение на технологията за оформяне на лъча в лазерното адитивно производство
Недостатъците на традиционния печат с гаусови лъчи
В технологията за производство на метални лазерни добавки разпределението на енергията на лазерния лъч оказва значително влияние върху качеството на отпечатаните части. Въпреки че гаусовите лъчи са широко използвани в оборудването за производство на метални лазери с добавки, те страдат от сериозни недостатъци като нестабилно качество на печат, ниско използване на енергия и тесни прозорци на процеса в процеса на производство на добавки. Сред тях процесът на топене на праха и динамиката на разтопения басейн по време на процеса на добавяне на метална лазерна добавка са тясно свързани с дебелината на слоя прах. Поради наличието на пръскане на прах и зони на ерозия, действителната дебелина на слоя прах е по-висока от теоретичното очакване. Второ, парната колона предизвика главните пръски на обратната струя. Металните пари се сблъскват със задната стена, за да образуват пръски, които се пръскат по протежение на предната стена перпендикулярно на вдлъбнатата област на разтопения басейн (както е показано на Фигура 3). Поради сложното взаимодействие между лазерния лъч и пръските, изхвърлените пръски могат сериозно да повлияят на качеството на печат на следващите слоеве прах. В допълнение, образуването на ключови дупки в басейна за стопилка също сериозно засяга качеството на отпечатаните части. Вътрешните пори на отпечатаното парче са причинени главно от нестабилни заключващи отвори.
Механизмът на образуване на дефекти в технологията за оформяне на лъча
Технологията за оформяне на лъча може да постигне подобрение на производителността в множество измерения едновременно, което е различно от гаусовите лъчи, които подобряват производителността в едно измерение с цената на жертване на други измерения. Технологията за оформяне на лъча може точно да регулира разпределението на температурата и характеристиките на потока на резервоара за стопилка. Чрез контролиране на разпределението на лазерната енергия се получава относително стабилна вана от стопилка с малък температурен градиент. Подходящото разпределение на лазерната енергия е от полза за потискане на порьозността и дефектите при разпръскване и подобряване на качеството на лазерния печат върху метални части. Може да постигне различни подобрения в ефективността на производството и използването на праха. В същото време технологията за оформяне на лъча ни предоставя повече стратегии за обработка, като значително освобождава свободата на проектиране на процеса, което е революционен напредък в технологията за лазерно адитивно производство.
Време на публикуване: 28 февруари 2024 г
