Технологија ласерске адитивне производње (АМ), са својим предностима високе производне тачности, велике флексибилности и високог степена аутоматизације, широко се користи у производњи кључних компоненти у областима као што су аутомобилска, медицинска, ваздухопловна итд. (као што су ракете млазнице за гориво, носачи сателитских антена, људски имплантати итд.). Ова технологија може значајно побољшати перформансе комбинације штампаних делова кроз интегрисану производњу структуре материјала и перформанси. Тренутно, технологија производње ласерских адитива генерално усваја фокусирани Гаусов сноп са високим средиштем и ниском дистрибуцијом енергије. Међутим, често ствара високе термичке градијенте у топљењу, што доводи до накнадног формирања пора и крупних зрна. Технологија обликовања зрака је нова метода за решавање овог проблема, која побољшава ефикасност и квалитет штампе прилагођавањем дистрибуције енергије ласерског зрака.
У поређењу са традиционалним одузимањем и еквивалентном производњом, технологија производње металних адитива има предности као што су кратко време производног циклуса, висока тачност обраде, висока стопа искоришћења материјала и добре укупне перформансе делова. Због тога се технологија производње металних адитива широко користи у индустријама као што су ваздухопловство, оружје и опрема, нуклеарна енергија, биофармацеутика и аутомобили. Засновано на принципу дискретног слагања, производња металних адитива користи извор енергије (као што је ласер, лук или електронски сноп) за топљење праха или жице, а затим их слаже слој по слој за производњу циљне компоненте. Ова технологија има значајне предности у производњи малих серија, сложених структура или персонализованих делова. Материјали који се не могу или су тешки за обраду традиционалним техникама такође су погодни за припрему коришћењем метода адитивне производње. Због горе наведених предности, технологија адитивне производње је привукла широку пажњу научника како у земљи тако и у иностранству. У последњих неколико деценија, технологија адитивне производње је брзо напредовала. Због аутоматизације и флексибилности опреме за производњу ласерских адитива, као и свеобухватних предности високе густине ласерске енергије и високе тачности обраде, технологија производње ласерских адитива се најбрже развила међу три горе наведене технологије производње металних адитива.
Технологија производње ласерских адитива за метал може се даље поделити на ЛПБФ и ДЕД. Слика 1 приказује типичан шематски дијаграм ЛПБФ и ДЕД процеса. ЛПБФ процес, такође познат као селективно ласерско топљење (СЛМ), може произвести сложене металне компоненте скенирањем високоенергетских ласерских зрака дуж фиксне путање на површини слоја праха. Затим се прах топи и учвршћује слој по слој. ДЕД процес углавном укључује два процеса штампања: наношење ласерског топљења и производњу адитива за довођење ласерске жице. Обе ове технологије могу директно да производе и поправљају металне делове синхроним додавањем металног праха или жице. У поређењу са ЛПБФ, ДЕД има већу продуктивност и већу производну површину. Поред тога, ова метода такође може погодно припремити композитне материјале и функционално класификоване материјале. Међутим, квалитет површине делова штампаних помоћу ДЕД-а је увек лош и потребна је накнадна обрада да би се побољшала тачност димензија циљне компоненте.
У тренутном процесу производње ласерских адитива, фокусирани Гаусов сноп је обично извор енергије. Међутим, због своје јединствене дистрибуције енергије (висок центар, ниска ивица), вероватно ће изазвати високе топлотне градијенте и нестабилност базена талине. Резултат је лош квалитет обликовања штампаних делова. Поред тога, ако је централна температура растопљеног базена превисока, то ће изазвати испаравање металних елемената ниске тачке топљења, што додатно погоршава нестабилност ЛБПФ процеса. Због тога се са повећањем порозности значајно смањују механичка својства и век трајања замора штампаних делова. Неравномерна дистрибуција енергије Гаусових зрака такође доводи до ниске ефикасности коришћења ласерске енергије и прекомерног расипања енергије. Да би постигли бољи квалитет штампе, научници су почели да истражују компензацију дефеката Гаусових зрака модификовањем параметара процеса као што су снага ласера, брзина скенирања, дебљина слоја праха и стратегија скенирања, како би се контролисала могућност уноса енергије. Због веома уског прозора обраде ове методе, фиксна физичка ограничења ограничавају могућност даље оптимизације. На пример, повећањем снаге ласера и брзине скенирања може се постићи висока ефикасност производње, али често долази по цену жртвовања квалитета штампања. Последњих година, промена дистрибуције ласерске енергије кроз стратегије обликовања зрака може значајно побољшати ефикасност производње и квалитет штампе, што може постати будући правац развоја технологије производње ласерских адитива. Технологија обликовања зрака генерално се односи на подешавање дистрибуције таласног фронта улазног зрака да би се добила жељена дистрибуција интензитета и карактеристике ширења. Примена технологије обликовања греда у технологији производње металних адитива приказана је на слици 2.
Примена технологије обликовања зрака у производњи ласерских адитива
Недостаци традиционалног штампања Гаусовог снопа
У технологији производње металних ласерских адитива, расподела енергије ласерског зрака има значајан утицај на квалитет штампаних делова. Иако су Гаусови снопови широко коришћени у опреми за производњу металних ласерских адитива, они пате од озбиљних недостатака као што су нестабилан квалитет штампе, ниско коришћење енергије и уски прозори процеса у процесу адитивне производње. Међу њима, процес топљења праха и динамика растопљеног базена током процеса металног ласерског адитива су уско повезани са дебљином слоја праха. Због присуства прскања праха и зона ерозије, стварна дебљина слоја праха је већа од теоретског очекивања. Друго, парни стуб је изазвао прскање главног повратног млаза. Метална пара се судара са задњим зидом и формира прскање, које се прскају дуж предњег зида окомито на конкавну област растопљеног базена (као што је приказано на слици 3). Због сложене интеракције између ласерског зрака и прскања, избачене прскање могу озбиљно утицати на квалитет штампе следећих слојева праха. Поред тога, формирање кључаоница у базену талине такође озбиљно утиче на квалитет штампаних делова. Унутрашње поре штампаног дела су углавном узроковане нестабилним рупама за закључавање.
Механизам формирања дефеката у технологији обликовања греда
Технологија обликовања снопа може постићи побољшање перформанси у више димензија истовремено, што се разликује од Гаусових греда које побољшавају перформансе у једној димензији по цену жртвовања других димензија. Технологија обликовања греда може прецизно подесити дистрибуцију температуре и карактеристике протока у базену талине. Контролом расподеле ласерске енергије добија се релативно стабилан растопљени базен са малим температурним градијентом. Одговарајућа дистрибуција ласерске енергије је корисна за сузбијање порозности и дефеката прскања, као и за побољшање квалитета ласерске штампе на металним деловима. Може постићи различита побољшања у ефикасности производње и коришћењу праха. Истовремено, технологија обликовања зрака нам пружа више стратегија обраде, увелико ослобађајући слободу дизајна процеса, што је револуционарни напредак у технологији производње ласерских адитива.
Време поста: 28. фебруар 2024
