Технологията за лазерно адитивно производство (AM), с предимствата си на висока точност на производство, силна гъвкавост и висока степен на автоматизация, се използва широко в производството на ключови компоненти в области като автомобилостроенето, медицината, аерокосмическата промишленост и др. (като дюзи за ракетно гориво, скоби за сателитни антени, човешки импланти и др.). Тази технология може значително да подобри комбинираната производителност на печатните части чрез интегрирано производство на материална структура и производителност. Понастоящем технологията за лазерно адитивно производство обикновено използва фокусиран Гаусов лъч с високо разпределение на енергията в центъра и ниско по ръба. Често обаче 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 адитивно производство на метали има предимства като кратък производствен цикъл, висока точност на обработка, висок коефициент на използване на материала и добра обща производителност на частите. Следователно, технологията за адитивно производство на метали се използва широко в индустрии като аерокосмическа индустрия, оръжия и оборудване, ядрена енергетика, биофармацевтика и автомобили. Базирайки се на принципа на дискретно подреждане, адитивното производство на метали използва енергиен източник (като лазер, дъга или електронен лъч), за да разтопи праха или телта, а 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 помощта на традиционни техники, също са подходящи за подготовка с помощта на адитивни производствени методи. Поради горепосочените предимства, технологията за адитивно производство привлече широко внимание от страна на учените както в страната, така и в чужбина. През последните няколко десетилетия технологията за адитивно производство постигна бърз напредък. Благодарение на автоматизацията и гъвкавостта на оборудването за лазерно адитивно производство, както и на всеобхватните предимства на високата плътност на лазерната енергия и високата точност на обработка, технологията за лазерно адитивно производство се разви най-бързо сред трите технологии за адитивно производство на метали, споменати по-горе.
Технологията за лазерно адитивно производство на метал може да бъде допълнително разделена на LPBF и DED. Фигура 1 показва типична схематична диаграма на процесите LPBF и DED. Процесът LPBF, известен още 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 топене и адитивно производство с 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. Освен това, този метод може удобно да приготвя композитни материали и функционално градирани материали. Качеството на повърхността на частите, отпечатани чрез DED, обаче винаги е лошо и е необходима последваща обработка, за да се подобри точността на размерите на целевия компонент.
В съвременния процес на лазерно адитивно производство, фокусираният Гаусов лъч обикновено е източникът на енергия. Поради уникалното си разпределение на енергията (висок център, нисък ръб), обаче е вероятно да причини високи термични градиенти и нестабилност на стопилката. Това води до лошо качество на формоване на отпечатаните части. Освен това, ако централната температура на стопилката е твърде висока, това ще доведе до изпаряване на металните елементи с ниска точка на топене, което допълнително ще изостри нестабилността на процеса LBPF. Следователно, с увеличаване на порьозността, механичните свойства и дълготрайността на отпечатаните части са значително намалени. Неравномерното разпределение на енергията на Гаусовите лъчи също води до ниска ефективност на използване на лазерната енергия и прекомерно разхищение на енергия. За да се постигне 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 на сканиране, за да се контролира 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 мощността на лазера и скоростта на сканиране може да постигне висока производствена ефективност, но често е с цената на жертване на качеството на печат. През последните години промяната на разпределението на лазерната енергия чрез стратегии за оформяне на лъча може значително да подобри производствената ефективност и качеството на печат, което може да се превърне в бъдеща посока на развитие на технологията за лазерно адитивно производство. Технологията за оформяне на лъча обикновено се отнася до регулиране на разпределението на вълновия фронт на входния лъч, за да се получат желаните характеристики на разпределение на интензитета и разпространение. Приложението на технологията за оформяне на лъча в технологията за адитивно производство на метали е показано на Фигура 2.
Приложение на технологията за оформяне на лъча в лазерното адитивно производство
Недостатъци на традиционния печат с гаусов лъч
В технологията за адитивно производство с метален лазер, разпределението на енергията на лазерния лъч има значително влияние върху качеството на отпечатаните части. Въпреки че гаусовите лъчи са широко използвани в оборудването за адитивно производство с метален лазер, те страдат от сериозни недостатъци, като нестабилно качество на печат, ниско използване на енергия и тесни технологични прозорци в процеса на адитивно производство. Сред тях, процесът на топене на праха и динамиката на разтопената вана по време на процеса на адитивно производство с метален лазер са тясно свързани с дебелината на праховия слой. Поради наличието на зони на пръски и ерозия на праха, действителната дебелина на праховия слой е по-висока от теоретично очакваната. Второ, парният стълб причинява основните обратни пръски от струята. Металните пари се сблъскват със задната стена, образувайки пръски, които се разпръскват по предната стена, перпендикулярно на вдлъбнатата област на разтопената вана (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 прахови слоеве. Освен това, образуването на отвори в разтопената вана също сериозно влияе върху качеството на отпечатаните части. Вътрешните пори на отпечатания детайл се дължат главно на нестабилни отвори за заключване.
Механизмът на образуване на дефекти в технологията за оформяне на лъчи
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 за сметка на други измерения. Технологията за оформяне на лъча може точно да регулира разпределението на температурата и характеристиките на потока на стопилката. Чрез контролиране на разпределението на лазерната енергия се получава относително стабилна стопилка с малък температурен градиент. Подходящото разпределение на лазерната енергия е полезно за потискане на порьозността и дефектите от разпрашване и за подобряване на качеството на лазерния печат върху метални части. Тя може да постигне различни подобрения в производствената ефективност и използването на праха. В същото време технологията за оформяне на лъча ни предоставя повече стратегии за обработка, освобождавайки значително свободата на проектиране на процеса, което е революционен напредък в технологията за лазерно адитивно производство.
Време на публикуване: 28 февруари 2024 г.
