Tehnologija laserske aditivne proizvodnje (AM), sa svojim prednostima visoke točnosti proizvodnje, snažne fleksibilnosti i visokog stupnja automatizacije, široko se koristi u proizvodnji ključnih komponenti u područjima kao što su automobilska industrija, medicina, zrakoplovstvo itd. (kao što je raketa mlaznice za gorivo, nosači satelitskih antena, ljudski implantati itd.). Ova tehnologija može uvelike poboljšati kombiniranu izvedbu tiskanih dijelova kroz integriranu proizvodnju strukture materijala i performansi. Trenutačno tehnologija aditivne laserske proizvodnje općenito prihvaća fokusiranu Gaussovu zraku s visokom distribucijom energije u središtu i niskom rubu. Međutim, često stvara visoke toplinske gradijente u talini, što dovodi do kasnijeg stvaranja pora i grubih zrna. Tehnologija oblikovanja snopa je nova metoda za rješavanje ovog problema, koja poboljšava učinkovitost i kvalitetu ispisa podešavanjem raspodjele energije laserske zrake.
U usporedbi s tradicionalnim oduzimanjem i ekvivalentnom proizvodnjom, tehnologija proizvodnje metalnih aditiva ima prednosti kao što su kratko vrijeme proizvodnog ciklusa, visoka točnost obrade, visoka stopa iskorištenja materijala i dobra ukupna izvedba dijelova. Stoga se tehnologija proizvodnje metalnih aditiva široko koristi u industrijama kao što su zrakoplovstvo, oružje i oprema, nuklearna energija, biofarmaceutika i automobili. Na temelju načela diskretnog slaganja, proizvodnja metalnih dodataka koristi izvor energije (kao što je laser, luk ili elektronski snop) za topljenje praha ili žice, a zatim ih slaže sloj po sloj za proizvodnju ciljne komponente. Ova tehnologija ima značajne prednosti u proizvodnji malih serija, složenih struktura ili personaliziranih dijelova. Materijali koje nije moguće ili je teško obraditi tradicionalnim tehnikama također su prikladni za pripremu aditivnim metodama proizvodnje. Zbog gore navedenih prednosti, tehnologija aditivne proizvodnje privukla je široku pozornost znanstvenika u zemlji i inozemstvu. U posljednjih nekoliko desetljeća tehnologija aditivne proizvodnje brzo je napredovala. Zbog automatizacije i fleksibilnosti opreme za lasersku aditivnu proizvodnju, kao i sveobuhvatnih prednosti visoke gustoće laserske energije i visoke točnosti obrade, tehnologija laserske aditivne proizvodnje razvila se najbrže među tri gore spomenute tehnologije metalne aditivne proizvodnje.
Laserska tehnologija proizvodnje metalnih aditiva može se dalje podijeliti na LPBF i DED. Slika 1 prikazuje tipični shematski dijagram LPBF i DED procesa. LPBF proces, također poznat kao selektivno lasersko taljenje (SLM), može proizvesti složene metalne komponente skeniranjem visokoenergetskih laserskih zraka duž fiksne putanje na površini sloja praha. Zatim se prah topi i stvrdnjava sloj po sloj. DED proces uglavnom uključuje dva procesa ispisa: lasersko taloženje taljenjem i proizvodnju aditiva za lasersko dodavanje žice. Obje ove tehnologije mogu izravno proizvoditi i popravljati metalne dijelove sinkronim dovođenjem metalnog praha ili žice. U usporedbi s LPBF-om, DED ima veću produktivnost i veće proizvodno područje. Osim toga, ovom se metodom također mogu prikladno pripremiti kompozitni materijali i funkcionalno razvrstani materijali. Međutim, kvaliteta površine dijelova koje ispisuje DED uvijek je loša i potrebna je naknadna obrada kako bi se poboljšala točnost dimenzija ciljane komponente.
U trenutnom procesu proizvodnje laserskih aditiva, fokusirana Gaussova zraka obično je izvor energije. Međutim, zbog svoje jedinstvene raspodjele energije (visoki centar, niski rub), vjerojatno će uzrokovati visoke toplinske gradijente i nestabilnost bazena taline. Posljedica je loša kvaliteta oblikovanja tiskanih dijelova. Osim toga, ako je središnja temperatura rastaljenog bazena previsoka, to će uzrokovati isparavanje metalnih elemenata niske točke taljenja, dodatno pogoršavajući nestabilnost LBPF procesa. Stoga, s povećanjem poroznosti, mehanička svojstva i vijek trajanja tiskanih dijelova značajno se smanjuju. Neravnomjerna distribucija energije Gaussovih zraka također dovodi do niske učinkovitosti iskorištenja laserske energije i prekomjernog rasipanja energije. Kako bi se postigla bolja kvaliteta ispisa, znanstvenici su počeli istraživati kompenzaciju nedostataka Gaussovih zraka modificiranjem parametara procesa kao što su snaga lasera, brzina skeniranja, debljina sloja praha i strategija skeniranja, kako bi se kontrolirala mogućnost unosa energije. Zbog vrlo uskog prozora obrade ove metode, fiksna fizička ograničenja ograničavaju mogućnost daljnje optimizacije. Na primjer, povećanje snage lasera i brzine skeniranja može postići visoku učinkovitost proizvodnje, ali često dolazi po cijenu žrtvovanja kvalitete ispisa. Posljednjih godina, promjena raspodjele laserske energije putem strategija oblikovanja snopa može značajno poboljšati učinkovitost proizvodnje i kvalitetu ispisa, što bi moglo postati smjer budućeg razvoja tehnologije aditivne laserske proizvodnje. Tehnologija oblikovanja snopa općenito se odnosi na podešavanje distribucije valne fronte ulaznog snopa kako bi se dobila željena distribucija intenziteta i karakteristike širenja. Primjena tehnologije oblikovanja grede u tehnologiji aditivne proizvodnje metala prikazana je na slici 2.
Primjena tehnologije oblikovanja snopa u laserskoj aditivnoj proizvodnji
Nedostaci tradicionalnog tiska s Gaussovim snopom
U tehnologiji aditivne proizvodnje metalnih lasera, distribucija energije laserske zrake ima značajan utjecaj na kvalitetu tiskanih dijelova. Iako su Gaussove zrake naširoko korištene u opremi za aditivnu proizvodnju metalnih lasera, pate od ozbiljnih nedostataka kao što su nestabilna kvaliteta ispisa, nisko korištenje energije i uski procesni prozori u procesu aditivne proizvodnje. Među njima, proces taljenja praha i dinamika rastaljenog bazena tijekom procesa dodavanja metalnog lasera usko su povezani s debljinom sloja praha. Zbog prisutnosti prskanja praha i zona erozije, stvarna debljina sloja praha veća je od teoretskog očekivanja. Drugo, stupac pare uzrokovao je glavno prskanje mlaza unatrag. Metalne pare sudaraju se sa stražnjom stijenkom i stvaraju prskanje, koje se raspršuju duž prednje stijenke okomito na konkavno područje bazena rastaljevine (kao što je prikazano na slici 3). Zbog složene interakcije između laserske zrake i prskanja, izbačene mrlje mogu ozbiljno utjecati na kvalitetu tiska sljedećih slojeva praha. Osim toga, stvaranje ključanica u bazenu taline također ozbiljno utječe na kvalitetu tiskanih dijelova. Unutarnje pore otisnutog komada uglavnom su uzrokovane nestabilnim otvorima za zaključavanje.
Mehanizam nastanka grešaka u tehnologiji oblikovanja greda
Tehnologija oblikovanja snopa može postići poboljšanje performansi u više dimenzija istovremeno, što se razlikuje od Gaussovih snopova koji poboljšavaju performanse u jednoj dimenziji po cijenu žrtvovanja drugih dimenzija. Tehnologija oblikovanja snopa može točno prilagoditi raspodjelu temperature i karakteristike protoka bazena taline. Kontrolom raspodjele laserske energije dobiva se relativno stabilna bazena taline s malim gradijentom temperature. Odgovarajuća raspodjela laserske energije korisna je za suzbijanje poroznosti i defekata prskanja te poboljšanje kvalitete laserskog ispisa na metalnim dijelovima. Može postići različita poboljšanja u učinkovitosti proizvodnje i korištenju praha. U isto vrijeme, tehnologija oblikovanja snopa pruža nam više strategija obrade, uvelike oslobađajući slobodu projektiranja procesa, što je revolucionarni napredak u tehnologiji laserske aditivne proizvodnje.
Vrijeme objave: 28. veljače 2024
