Laser additive manufacturing (AM)-teknologi, med sine fordeler med høy produksjonsnøyaktighet, sterk fleksibilitet og høy grad av automatisering, er mye brukt i produksjon av nøkkelkomponenter innen felt som bil, medisinsk, romfart, etc. (som rakett) drivstoffdyser, satellittantennebraketter, menneskelige implantater, etc.). Denne teknologien kan i stor grad forbedre kombinasjonsytelsen til trykte deler gjennom integrert produksjon av materialstruktur og ytelse. For tiden vedtar laseradditiv produksjonsteknologi generelt en fokusert gaussisk stråle med et høyt senter og lavkantenergifordeling. Imidlertid genererer det ofte høye termiske gradienter i smelten, noe som fører til påfølgende dannelse av porer og grove korn. Stråleformingsteknologi er en ny metode for å løse dette problemet, som forbedrer utskriftseffektiviteten og kvaliteten ved å justere fordelingen av laserstråleenergi.
Sammenlignet med tradisjonell subtraksjon og tilsvarende produksjon, har metalladditiv produksjonsteknologi fordeler som kort produksjonssyklustid, høy prosesseringsnøyaktighet, høy materialutnyttelsesgrad og god totalytelse av deler. Derfor er produksjonsteknologi for metalladditiv mye brukt i bransjer som romfart, våpen og utstyr, kjernekraft, biofarmasøytiske produkter og biler. Basert på prinsippet om diskret stabling, bruker metalladditivproduksjon en energikilde (som laser, lysbue eller elektronstråle) for å smelte pulveret eller ledningen, og deretter stabler dem lag for lag for å produsere målkomponenten. Denne teknologien har betydelige fordeler ved å produsere små batcher, komplekse strukturer eller personlige deler. Materialer som ikke kan eller er vanskelige å bearbeide med tradisjonelle teknikker er også egnet for tilberedning ved bruk av additive produksjonsmetoder. På grunn av fordelene ovenfor, har additiv produksjonsteknologi tiltrukket seg bred oppmerksomhet fra forskere både nasjonalt og internasjonalt. I løpet av de siste tiårene har teknologi for additiv produksjon gjort raske fremskritt. På grunn av automatiseringen og fleksibiliteten til produksjonsutstyr for laseradditiv, så vel som de omfattende fordelene med høy laserenergitetthet og høy prosesseringsnøyaktighet, har laseradditiv produksjonsteknologi utviklet seg raskest blant de tre produksjonsteknologiene for metalladditiv som er nevnt ovenfor.
Lasermetalladditiv produksjonsteknologi kan deles videre inn i LPBF og DED. Figur 1 viser et typisk skjematisk diagram av LPBF- og DED-prosesser. LPBF-prosessen, også kjent som Selective Laser Melting (SLM), kan produsere komplekse metallkomponenter ved å skanne høyenergilaserstråler langs en fast bane på overflaten av et pulverlag. Deretter smelter pulveret og stivner lag for lag. DED-prosessen inkluderer hovedsakelig to utskriftsprosesser: lasersmelteavsetning og lasertrådmating tilsetningsproduksjon. Begge disse teknologiene kan produsere og reparere metalldeler direkte ved å mate metallpulver eller tråd synkront. Sammenlignet med LPBF har DED høyere produktivitet og større produksjonsområde. I tillegg kan denne metoden også enkelt fremstille komposittmaterialer og funksjonelt graderte materialer. Imidlertid er overflatekvaliteten på deler som skrives ut av DED alltid dårlig, og påfølgende behandling er nødvendig for å forbedre målkomponentens dimensjonale nøyaktighet.
I den nåværende laseradditive produksjonsprosessen er den fokuserte gaussiske strålen vanligvis energikilden. Men på grunn av sin unike energifordeling (høyt senter, lav kant), vil det sannsynligvis forårsake høye termiske gradienter og ustabilitet i smeltebassenget. Resulterer i dårlig formingskvalitet på trykte deler. I tillegg, hvis sentertemperaturen til det smeltede bassenget er for høy, vil det føre til at metallelementene med lavt smeltepunkt fordamper, noe som ytterligere forverrer ustabiliteten til LBPF-prosessen. Derfor, med en økning i porøsitet, reduseres de mekaniske egenskapene og utmattingstiden til trykte deler betydelig. Den ujevne energifordelingen til gaussiske stråler fører også til lav laserenergiutnyttelse og overdreven energisløsing. For å oppnå bedre utskriftskvalitet har forskere begynt å utforske å kompensere for defektene til gaussiske stråler ved å modifisere prosessparametere som laserkraft, skannehastighet, pulverlagtykkelse og skannestrategi, for å kontrollere muligheten for energitilførsel. På grunn av det svært smale behandlingsvinduet til denne metoden, begrenser faste fysiske begrensninger muligheten for ytterligere optimalisering. For eksempel kan økt laserkraft og skannehastighet oppnå høy produksjonseffektivitet, men kommer ofte på bekostning av å ofre utskriftskvalitet. I de senere årene kan endring av laserenergidistribusjonen gjennom stråleformingsstrategier forbedre produksjonseffektiviteten og utskriftskvaliteten betydelig, noe som kan bli den fremtidige utviklingsretningen for produksjonsteknologi for lasertilsetningsstoffer. Stråleformingsteknologi refererer generelt til justering av bølgefrontfordelingen til inngangsstrålen for å oppnå ønsket intensitetsfordeling og forplantningsegenskaper. Anvendelsen av bjelkeformingsteknologi i produksjonsteknologi for metalladditiv er vist i figur 2.
Anvendelse av stråleformingsteknologi i laseradditiv produksjon
Manglene ved tradisjonell gaussisk stråleutskrift
I produksjonsteknologi for metalllaseradditiv har energifordelingen til laserstrålen en betydelig innvirkning på kvaliteten på trykte deler. Selv om gaussiske bjelker har vært mye brukt i metalllasertilsetningsutstyr, lider de av alvorlige ulemper som ustabil utskriftskvalitet, lav energiutnyttelse og smale prosessvinduer i additivproduksjonsprosessen. Blant dem er smelteprosessen til pulveret og dynamikken til det smeltede bassenget under metalllasertilsetningsprosessen nært knyttet til tykkelsen på pulverlaget. På grunn av tilstedeværelsen av pulversprut og erosjonssoner, er den faktiske tykkelsen på pulverlaget høyere enn den teoretiske forventningen. For det andre forårsaket dampkolonnen de viktigste bakoverstrålene. Metalldampen kolliderer med bakveggen for å danne sprut, som sprayes langs frontveggen vinkelrett på det konkave området av smeltebassenget (som vist i figur 3). På grunn av det komplekse samspillet mellom laserstrålen og sprut, kan de utstøpte sprutene alvorlig påvirke utskriftskvaliteten til påfølgende pulverlag. I tillegg påvirker dannelsen av nøkkelhull i smeltebassenget også kvaliteten på trykte deler. De indre porene i det trykte stykket er hovedsakelig forårsaket av ustabile låsehull.
Formasjonsmekanismen for defekter i stråleformingsteknologi
Stråleformingsteknologi kan oppnå ytelsesforbedring i flere dimensjoner samtidig, noe som er forskjellig fra Gaussiske bjelker som forbedrer ytelsen i én dimensjon på bekostning av å ofre andre dimensjoner. Stråleformingsteknologi kan justere temperaturfordelingen og strømningsegenskapene til smeltebassenget nøyaktig. Ved å kontrollere fordelingen av laserenergi oppnås et relativt stabilt smeltebasseng med liten temperaturgradient. Passende laserenergifordeling er gunstig for å undertrykke porøsitet og sputterdefekter, og forbedre kvaliteten på laserutskrift på metalldeler. Det kan oppnå ulike forbedringer i produksjonseffektivitet og pulverutnyttelse. Samtidig gir stråleformingsteknologi oss flere prosesseringsstrategier, noe som i stor grad frigjør friheten til prosessdesign, som er en revolusjonerende fremgang innen produksjonsteknologi for lasertilsetning.
Innleggstid: 28. februar 2024
