Laseradditiv produksjonsteknologi (AM), med sine fordeler med høy produksjonsnøyaktighet, sterk fleksibilitet og høy grad av automatisering, er mye brukt i produksjonen av nøkkelkomponenter innen felt som bilindustri, medisin, luftfart, etc. (som rakettdyser, satellittantennebraketter, menneskelige implantater, etc.). Denne teknologien kan forbedre kombinasjonsytelsen til trykte deler betraktelig gjennom integrert produksjon av materialstruktur og ytelse. For tiden bruker laseradditiv produksjonsteknologi generelt en fokusert Gaussisk stråle med høy senter- og lav kantenergifordeling. Imidlertid genererer den ofte høye termiske gradienter i smelten, noe som fører til 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 laserstråleenergien.
Sammenlignet med tradisjonell subtraksjon og tilsvarende produksjon, har metalladditiv produksjonsteknologi fordeler som kort produksjonssyklustid, høy prosesseringsnøyaktighet, høy materialutnyttelsesgrad og god total ytelse for deler. Derfor er metalladditiv produksjonsteknologi mye brukt i industrier som luftfart, våpen og utstyr, kjernekraft, biofarmasi og biler. Basert på prinsippet om diskret stabling, bruker metalladditiv produksjon en energikilde (som laser, lysbue eller elektronstråle) for å smelte pulveret eller tråden, og stabler dem deretter lag for lag for å produsere målkomponenten. Denne teknologien har betydelige fordeler ved produksjon av små partier, komplekse strukturer eller personlige deler. Materialer som ikke kan eller er vanskelige å bearbeide ved hjelp av tradisjonelle teknikker, er også egnet for fremstilling ved hjelp av additive produksjonsmetoder. På grunn av fordelene ovenfor har additiv produksjonsteknologi fått bred oppmerksomhet fra forskere både nasjonalt og internasjonalt. I løpet av de siste tiårene har additiv produksjonsteknologi gjort raske fremskritt. På grunn av automatiseringen og fleksibiliteten til laseradditiv produksjonsutstyr, samt de omfattende fordelene med høy laserenergitetthet og høy prosesseringsnøyaktighet, har laseradditiv produksjonsteknologi utviklet seg raskest blant de tre metalladditive produksjonsteknologiene som er nevnt ovenfor.
Laseradditiv produksjonsteknologi for metall kan videre deles inn i LPBF og DED. Figur 1 viser et typisk skjematisk diagram av LPBF- og DED-prosesser. LPBF-prosessen, også kjent som selektiv lasersmelting (SLM), kan produsere komplekse metallkomponenter ved å skanne høyenergilaserstråler langs en fast bane på overflaten av et pulverlag. Deretter smelter pulveret og størkner lag for lag. DED-prosessen inkluderer hovedsakelig to trykkeprosesser: lasersmelteavsetning og lasertrådmating av additiv produksjon. Begge disse teknologiene kan direkte produsere og reparere metalldeler ved synkront å mate metallpulver eller tråd. Sammenlignet med LPBF har DED høyere produktivitet og større produksjonsområde. I tillegg kan denne metoden også enkelt fremstille komposittmaterialer og funksjonelt graderte materialer. Overflatekvaliteten på deler trykt med DED er imidlertid alltid dårlig, og etterfølgende prosessering er nødvendig for å forbedre dimensjonsnøyaktigheten til målkomponenten.
I dagens laseradditive produksjonsprosess er den fokuserte Gauss-strålen vanligvis energikilden. På grunn av den unike energifordelingen (høyt senter, lav kant) er det imidlertid sannsynlig at den forårsaker høye termiske gradienter og ustabilitet i smeltebadet. Dette resulterer i dårlig formingskvalitet på trykte deler. I tillegg, hvis sentertemperaturen i smeltebadet 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 utmattingslevetiden til trykte deler betydelig. Den ujevne energifordelingen til Gauss-stråler fører også til lav effektivitet i laserenergiutnyttelse og overdreven energisløsing. For å oppnå bedre utskriftskvalitet har forskere begynt å utforske kompensasjon for defektene i Gauss-stråler ved å modifisere prosessparametere som lasereffekt, skannehastighet, pulverlagtykkelse og skannestrategi, for å kontrollere muligheten for energitilførsel. På grunn av det svært smale prosesseringsvinduet til denne metoden, begrenser faste fysiske begrensninger muligheten for ytterligere optimalisering. For eksempel kan økning av laserkraft og skannehastighet oppnå høy produksjonseffektivitet, men det går ofte på bekostning av utskriftskvaliteten. I de senere år har endring av laserenergifordelingen gjennom stråleformingsstrategier forbedret produksjonseffektiviteten og utskriftskvaliteten betydelig, noe som kan bli den fremtidige utviklingsretningen for laseradditiv produksjonsteknologi. Stråleformingsteknologi refererer generelt til å justere bølgefrontfordelingen til inngangsstrålen for å oppnå ønsket intensitetsfordeling og forplantningsegenskaper. Anvendelsen av stråleformingsteknologi i additiv produksjonsteknologi for metall er vist i figur 2.
Anvendelse av stråleformingsteknologi i laseradditiv produksjon
Manglene ved tradisjonell gaussisk stråleutskrift
I additiv produksjonsteknologi for metalllaser har energifordelingen til laserstrålen en betydelig innvirkning på kvaliteten på de trykte delene. Selv om Gaussiske stråler har blitt mye brukt i additiv produksjonsutstyr for metalllaser, lider de av alvorlige ulemper som ustabil utskriftskvalitet, lav energiutnyttelse og smale prosessvinduer i den additive produksjonsprosessen. Blant disse er smelteprosessen til pulveret og dynamikken i smeltebadet under den additive metalllaserprosessen 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 dampsøylen de viktigste bakoverstrålesprutene. Metalldampen kolliderer med bakveggen og danner sprut, som sprøytes langs frontveggen vinkelrett på det konkave området av smeltebadet (som vist i figur 3). På grunn av det komplekse samspillet mellom laserstrålen og sprut, kan de utstøtte sprutene påvirke utskriftskvaliteten til påfølgende pulverlag alvorlig. I tillegg påvirker dannelsen av nøkkelhull i smeltebadet også kvaliteten på de trykte delene alvorlig. De indre porene i det trykte stykket er hovedsakelig forårsaket av ustabile låsehull.
Dannelsesmekanismen for defekter i stråleformingsteknologi
Stråleformingsteknologi kan oppnå ytelsesforbedring i flere dimensjoner samtidig, noe som er forskjellig fra Gaussiske stråler som forbedrer ytelsen i én dimensjon på bekostning av å ofre andre dimensjoner. Stråleformingsteknologi kan nøyaktig justere temperaturfordelingen og strømningsegenskapene til smeltebadet. Ved å kontrollere fordelingen av laserenergi oppnås et relativt stabilt smeltebad med en liten temperaturgradient. Passende laserenergifordeling er gunstig for å undertrykke porøsitet og sputteringsdefekter, 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, noe som er et revolusjonerende fremskritt innen laseradditiv produksjonsteknologi.
Publisert: 28. feb. 2024
