Tehnologija laserske aditivne proizvodnje (AM), sa svojim prednostima visoke proizvodne preciznosti, jake fleksibilnosti i visokog stepena automatizacije, široko se koristi u proizvodnji ključnih komponenti u oblastima kao što su automobilska, medicinska, vazduhoplovna, itd. (kao što su rakete mlaznice za gorivo, nosači satelitskih antena, ljudski implantati, itd.). Ova tehnologija može uvelike poboljšati performanse kombinacije štampanih delova kroz integrisanu proizvodnju strukture materijala i performansi. Trenutno, tehnologija proizvodnje laserskih aditiva općenito usvaja fokusirani Gausov snop sa visokom središnjom i niskom distribucijom energije. Međutim, često stvara visoke termičke gradijente u talini, što dovodi do naknadnog stvaranja pora i krupnih zrna. Tehnologija oblikovanja zraka je nova metoda za rješavanje ovog problema, koja poboljšava efikasnost i kvalitet štampe prilagođavanjem distribucije energije laserskog zraka.
U poređenju sa tradicionalnim oduzimanjem i ekvivalentnom proizvodnjom, tehnologija proizvodnje metalnih aditiva ima prednosti kao što su kratko vreme proizvodnog ciklusa, visoka tačnost obrade, visoka stopa iskorišćenja materijala i dobre ukupne performanse delova. Stoga se tehnologija proizvodnje metalnih aditiva široko koristi u industrijama kao što su zrakoplovstvo, oružje i oprema, nuklearna energija, biofarmaceutika i automobili. Zasnovano na principu diskretnog slaganja, proizvodnja metalnih aditiva 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 koji se ne mogu ili ih je teško obraditi tradicionalnim tehnikama također su pogodni za pripremu aditivnim metodama proizvodnje. Zbog gore navedenih prednosti, tehnologija aditivne proizvodnje privukla je široku pažnju naučnika kako u zemlji tako i u inostranstvu. U posljednjih nekoliko decenija, tehnologija aditivne proizvodnje brzo je napredovala. Zbog automatizacije i fleksibilnosti opreme za proizvodnju laserskih aditiva, kao i sveobuhvatnih prednosti visoke gustoće laserske energije i visoke točnosti obrade, tehnologija proizvodnje laserskih aditiva razvila se najbrže među tri gore navedene tehnologije proizvodnje metalnih aditiva.
Tehnologija proizvodnje laserskih aditiva za metal može se dalje podijeliti na LPBF i DED. Slika 1 prikazuje tipičan šematski dijagram LPBF i DED procesa. LPBF proces, također poznat kao selektivno lasersko topljenje (SLM), može proizvesti složene metalne komponente skeniranjem visokoenergetskih laserskih zraka duž fiksne putanje na površini sloja praha. Zatim se prah topi i učvršćuje sloj po sloj. DED proces uglavnom uključuje dva procesa štampanja: nanošenje laserskog topljenja i proizvodnju aditiva za dodavanje laserske žice. Obje ove tehnologije mogu direktno proizvoditi i popravljati metalne dijelove sinhronim dovođenjem metalnog praha ili žice. U poređenju sa LPBF, DED ima veću produktivnost i veću proizvodnu površinu. Osim toga, ova metoda također može pogodno pripremiti kompozitne materijale i funkcionalno klasificirane materijale. Međutim, kvalitet površine delova štampanih od strane DED-a je uvek loš i potrebna je naknadna obrada da bi se poboljšala tačnost dimenzija ciljne komponente.
U trenutnom procesu proizvodnje laserskih aditiva, fokusirani Gausov snop obično je izvor energije. Međutim, zbog svoje jedinstvene distribucije energije (visoko središte, niska ivica), vjerovatno će uzrokovati visoke toplinske gradijente i nestabilnost bazena taline. Rezultat je loš kvalitet oblikovanja štampanih delova. Osim toga, ako je središnja temperatura rastopljenog bazena previsoka, to će uzrokovati isparavanje metalnih elemenata niske točke topljenja, što dodatno pogoršava nestabilnost LBPF procesa. Stoga se s povećanjem poroznosti značajno smanjuju mehanička svojstva i vijek trajanja tiskanih dijelova. Neravnomjerna distribucija energije Gaussovih zraka također dovodi do niske efikasnosti korištenja laserske energije i prekomjernog rasipanja energije. Kako bi postigli bolji kvalitet štampe, naučnici su počeli da istražuju kompenzaciju defekata Gaussovih zraka modifikovanjem parametara procesa kao što su snaga lasera, brzina skeniranja, debljina sloja praha i strategija skeniranja, kako bi se kontrolisala mogućnost unosa energije. Zbog vrlo uskog prozora obrade ove metode, fiksna fizička ograničenja ograničavaju mogućnost dalje optimizacije. Na primjer, povećanje snage lasera i brzine skeniranja može postići visoku proizvodnu efikasnost, ali često dolazi po cijenu žrtvovanja kvaliteta štampe. Poslednjih godina, promena distribucije laserske energije kroz strategije oblikovanja zraka može značajno poboljšati efikasnost proizvodnje i kvalitet štampe, što može postati budući pravac razvoja tehnologije proizvodnje laserskih aditiva. Tehnologija oblikovanja zraka općenito se odnosi na prilagođavanje distribucije talasnog fronta ulaznog snopa kako bi se dobila željena distribucija intenziteta i karakteristike širenja. Primjena tehnologije oblikovanja greda u tehnologiji aditivne proizvodnje metala prikazana je na slici 2.
Primjena tehnologije oblikovanja zraka u proizvodnji laserskih aditiva
Nedostaci tradicionalnog štampe Gaussove grede
U tehnologiji proizvodnje metalnih laserskih aditiva, distribucija energije laserskog snopa ima značajan uticaj na kvalitet štampanih delova. Iako su Gaussove zrake naširoko korištene u opremi za proizvodnju metalnih laserskih aditiva, one pate od ozbiljnih nedostataka kao što su nestabilan kvalitet štampe, nisko korištenje energije i uski prozori procesa u procesu aditivne proizvodnje. Među njima, proces topljenja praha i dinamika rastaljenog bazena tokom procesa dodavanja metala laserom usko su povezani sa debljinom sloja praha. Zbog prisutnosti zona prskanja praha i erozije, stvarna debljina sloja praha je veća od teoretskog očekivanja. Drugo, parni stup je izazvao prskanje glavnog povratnog mlaza. Metalna para se sudara sa zadnjim zidom i formira prskanje, koje se raspršuje duž prednjeg zida okomito na konkavnu površinu rastopljenog bazena (kao što je prikazano na slici 3). Zbog složene interakcije između laserskog snopa i prskanja, izbačena prskanja mogu ozbiljno uticati na kvalitet štampe sledećih slojeva praha. Osim toga, formiranje ključaonica u bazenu taline takođe ozbiljno utiče na kvalitet štampanih delova. Unutrašnje pore štampanog komada uglavnom su uzrokovane nestabilnim rupama za zaključavanje.
Mehanizam nastanka defekata u tehnologiji oblikovanja greda
Tehnologija oblikovanja zraka može postići poboljšanje performansi u više dimenzija istovremeno, što se razlikuje od Gaussovih greda koje poboljšavaju performanse u jednoj dimenziji po cijenu žrtvovanja drugih dimenzija. Tehnologija oblikovanja grede može precizno podesiti raspodjelu temperature i karakteristike protoka u bazenu taline. Kontrolom distribucije laserske energije dobija se relativno stabilan rastopljeni bazen sa malim temperaturnim gradijentom. Odgovarajuća distribucija laserske energije je korisna za suzbijanje poroznosti i defekata prskanja, kao i za poboljšanje kvaliteta laserske štampe na metalnim delovima. Može postići različita poboljšanja u efikasnosti proizvodnje i korištenju praha. U isto vrijeme, tehnologija oblikovanja zraka nam pruža više strategija obrade, uvelike oslobađajući slobodu dizajna procesa, što je revolucionarni napredak u tehnologiji proizvodnje laserskih aditiva.
Vrijeme objave: Feb-28-2024
