Tehnologija laserske aditivne proizvodnje (AM), sa svojim prednostima visoke točnosti proizvodnje, velike fleksibilnosti i visokog stupnja automatizacije, široko se koristi u proizvodnji ključnih komponenti u područjima kao što su automobilska, medicina, zrakoplovna industrija itd. (kao što su mlaznice za raketno gorivo, nosači satelitskih antena, ljudski implantati itd.). Ova tehnologija može uvelike poboljšati kombinirane performanse tiskanih dijelova kroz integriranu proizvodnju strukture i performansi materijala. Trenutno, tehnologija laserske aditivne proizvodnje općenito usvaja fokusirani Gaussov snop s visokom raspodjelom energije u središtu i niskim rubom. Međutim, često generira visoke toplinske gradijente u talini, što dovodi do naknadnog stvaranja pora i grubih zrna. Tehnologija oblikovanja snopa nova je metoda za rješavanje ovog problema, koja poboljšava učinkovitost i kvalitetu ispisa podešavanjem raspodjele energije laserske zrake.
U usporedbi s tradicionalnom subtrakcijom i ekvivalentnom proizvodnjom, tehnologija aditivne proizvodnje metala ima prednosti kao što su kratko vrijeme proizvodnog ciklusa, visoka točnost obrade, visoka stopa iskorištenja materijala i dobre ukupne performanse dijelova. Stoga se tehnologija aditivne proizvodnje metala široko koristi u industrijama kao što su zrakoplovstvo, oružje i oprema, nuklearna energija, biofarmaceutika i automobili. Na temelju principa diskretnog slaganja, aditivna proizvodnja metala koristi izvor energije (kao što je laser, luk ili elektronski snop) za taljenje praha ili žice, a zatim ih slaže sloj po sloj kako bi se proizvela ciljana komponenta. Ova tehnologija ima značajne prednosti u proizvodnji malih serija, složenih struktura ili personaliziranih dijelova. Materijali koji se ne mogu ili ih je teško obraditi tradicionalnim tehnikama također su prikladni za pripremu korištenjem metoda aditivne proizvodnje. Zbog gore navedenih prednosti, tehnologija aditivne proizvodnje privukla je široku pozornost znanstvenika i u zemlji i u 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 aditivne proizvodnje lasera razvila se najbrže među tri gore spomenute tehnologije aditivne proizvodnje metala.
Tehnologija aditivne proizvodnje metala laserom može se dalje podijeliti na LPBF i DED. Slika 1 prikazuje tipičan shematski dijagram LPBF i DED procesa. LPBF proces, također poznat kao selektivno lasersko taljenje (SLM), može proizvoditi 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: taljenje laserom i aditivnu proizvodnju laserskim dovodom žice. Obje ove tehnologije mogu izravno proizvoditi i popravljati metalne dijelove sinkronim dovodom metalnog praha ili žice. U usporedbi s LPBF-om, DED ima veću produktivnost i veće proizvodno područje. Osim toga, ova metoda također može prikladno pripremiti kompozitne materijale i funkcionalno graduirane materijale. Međutim, kvaliteta površine dijelova ispisanih DED-om uvijek je loša, a potrebna je naknadna obrada kako bi se poboljšala dimenzijska točnost ciljane komponente.
U trenutnom procesu laserske aditivne proizvodnje, fokusirani Gaussov snop obično je izvor energije. Međutim, zbog svoje jedinstvene raspodjele energije (visoko središte, niski rub), vjerojatno će uzrokovati visoke toplinske gradijente i nestabilnost taline. To rezultira lošom kvalitetom oblikovanja tiskanih dijelova. Osim toga, ako je središnja temperatura taline previsoka, to će uzrokovati isparavanje metalnih elemenata s niskom točkom taljenja, što dodatno pogoršava nestabilnost LBPF procesa. Stoga se s povećanjem poroznosti značajno smanjuju mehanička svojstva i vijek trajanja tiskanih dijelova. Neravnomjerna raspodjela energije Gaussovih snopova također dovodi do niske učinkovitosti korištenja laserske energije i prekomjernog rasipanja energije. Kako bi se postigla bolja kvaliteta ispisa, znanstvenici su počeli istraživati kompenzaciju nedostataka Gaussovih snopova modificiranjem parametara procesa kao što su snaga lasera, brzina skeniranja, debljina sloja praha i strategija skeniranja, kako bi kontrolirali 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 strategijama oblikovanja snopa može značajno poboljšati učinkovitost proizvodnje i kvalitetu ispisa, što bi mogao postati budući smjer razvoja tehnologije aditivne proizvodnje laserom. Tehnologija oblikovanja snopa općenito se odnosi na podešavanje raspodjele valne fronte ulaznog snopa kako bi se postigla željena raspodjela intenziteta i karakteristike širenja. Primjena tehnologije oblikovanja snopa u tehnologiji aditivne proizvodnje metala prikazana je na slici 2.
Primjena tehnologije oblikovanja snopa u laserskoj aditivnoj proizvodnji
Nedostaci tradicionalnog Gaussovog snopa ispisa
U tehnologiji aditivne proizvodnje metala laserom, raspodjela energije laserske zrake ima značajan utjecaj na kvalitetu tiskanih dijelova. Iako se Gaussove zrake široko koriste u opremi za aditivnu proizvodnju metala laserom, one pate od ozbiljnih nedostataka poput nestabilne kvalitete ispisa, niske iskorištenosti energije i uskih procesnih prozora u procesu aditivne proizvodnje. Među njima, proces taljenja praha i dinamika rastaljenog bazena tijekom aditivnog procesa metalnog lasera usko su povezani s debljinom sloja praha. Zbog prisutnosti zona prskanja praha i erozije, stvarna debljina sloja praha veća je od teorijskog očekivanja. Drugo, stupac pare uzrokovao je glavno prskanje unatrag. Metalna para sudara se sa stražnjom stijenkom stvarajući prskanje, koje se raspršuje duž prednje stijenke okomito na konkavno područje rastaljenog bazena (kao što je prikazano na slici 3). Zbog složene interakcije između laserske zrake i prskanja, izbačeno prskanje može ozbiljno utjecati na kvalitetu ispisa sljedećih slojeva praha. Osim toga, stvaranje ključanica u bazenu rastaljenog praha također ozbiljno utječe na kvalitetu tiskanih dijelova. Unutarnje pore tiskanog komada uglavnom su uzrokovane nestabilnim rupama za zaključavanje.
Mehanizam nastanka defekata u tehnologiji oblikovanja snopa
Tehnologija oblikovanja snopa može postići poboljšanje performansi u više dimenzija istovremeno, što se razlikuje od Gaussovih snopova koji poboljšavaju performanse u jednoj dimenziji uz žrtvovanje drugih dimenzija. Tehnologija oblikovanja snopa može precizno prilagoditi raspodjelu temperature i karakteristike protoka taline. Kontroliranjem raspodjele laserske energije dobiva se relativno stabilna talina s malim temperaturnim gradijentom. Odgovarajuća raspodjela laserske energije korisna je za suzbijanje poroznosti i nedostataka raspršivanja te poboljšanje kvalitete laserskog ispisa na metalnim dijelovima. Može postići različita poboljšanja u učinkovitosti proizvodnje i iskorištenju praha. Istovremeno, tehnologija oblikovanja snopa pruža nam više strategija obrade, uvelike oslobađajući slobodu dizajna procesa, što je revolucionarni napredak u tehnologiji laserske aditivne proizvodnje.
Vrijeme objave: 28. veljače 2024.
