Tehnologija laserske aditivne proizvodnje (AM), sa svojim prednostima visoke tačnosti proizvodnje, velike fleksibilnosti i visokog stepena automatizacije, široko se koristi u proizvodnji ključnih komponenti u oblastima kao što su automobilska, medicina, vazduhoplovstvo itd. (kao što su mlaznice za raketno gorivo, nosači satelitskih antena, ljudski implantati itd.). Ova tehnologija može značajno poboljšati kombinovane performanse štampanih dijelova kroz integrisanu proizvodnju strukture i performansi materijala. Trenutno, tehnologija laserske aditivne proizvodnje uglavnom usvaja fokusirani Gaussov snop sa visokom raspodjelom energije u centru i niskom ivicom. Međutim, često generiše visoke termalne gradijente u talini, što dovodi do naknadnog formiranja pora i grubih zrna. Tehnologija oblikovanja snopa je nova metoda za rješavanje ovog problema, koja poboljšava efikasnost i kvalitet štampanja podešavanjem raspodjele energije laserskog snopa.
U poređenju sa tradicionalnom subtrakcijom i ekvivalentnom proizvodnjom, tehnologija aditivne proizvodnje metala ima prednosti kao što su kratko vrijeme proizvodnog ciklusa, visoka tačnost obrade, visoka stopa iskorištenja materijala i dobre ukupne performanse dijelova. Stoga se tehnologija aditivne proizvodnje metala široko koristi u industrijama kao što su vazduhoplovstvo, oružje i oprema, nuklearna energija, biofarmaceutika i automobili. Zasnovana na principu diskretnog slaganja, aditivna proizvodnja metala koristi izvor energije (kao što je laser, luk ili elektronski snop) za topljenje 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 su teški za obradu korištenjem tradicionalnih tehnika također su pogodni za pripremu korištenjem metoda aditivne 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 je brzo napredovala. Zahvaljujući automatizaciji i fleksibilnosti opreme za lasersku aditivnu proizvodnju, kao i sveobuhvatnim prednostima visoke gustine laserske energije i visoke tačnosti obrade, tehnologija aditivne proizvodnje lasera se najbrže razvila 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 topljenje (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 štampanja: taloženje laserskim topljenjem i aditivnu proizvodnju laserskim dovodom žice. Obje ove tehnologije mogu direktno proizvoditi i popravljati metalne dijelove sinhronim dovodom metalnog praha ili žice. U poređenju sa LPBF, DED ima veću produktivnost i veći proizvodni prostor. Osim toga, ova metoda također može praktično pripremiti kompozitne materijale i funkcionalno graduirane materijale. Međutim, kvalitet površine dijelova štampanih DED-om je uvijek loš, a potrebna je naknadna obrada kako bi se poboljšala dimenzionalna tačnost ciljne komponente.
U trenutnom procesu laserske aditivne proizvodnje, fokusirani Gaussov snop je obično izvor energije. Međutim, zbog svoje jedinstvene raspodjele energije (visoki centar, niska ivica), vjerovatno će uzrokovati visoke termalne gradijente i nestabilnost rastopljenog bazena. To rezultira lošim kvalitetom oblikovanja štampanih dijelova. Osim toga, ako je centralna temperatura rastopljenog bazena previsoka, to će uzrokovati isparavanje metalnih elemenata niske tačke topljenja, što dodatno pogoršava nestabilnost LBPF procesa. Stoga, s povećanjem poroznosti, mehanička svojstva i vijek trajanja štampanih dijelova značajno se smanjuju. Neravnomjerna raspodjela energije Gaussovih snopova također dovodi do niske efikasnosti korištenja laserske energije i prekomjernog rasipanja energije. Kako bi se postigao bolji kvalitet štampe, naučnici 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 efikasnost proizvodnje, ali često dolazi po cijenu žrtvovanja kvaliteta štampe. Posljednjih godina, promjena distribucije laserske energije putem strategija oblikovanja snopa može značajno poboljšati efikasnost proizvodnje i kvalitet štampe, što bi mogao postati budući smjer razvoja tehnologije aditivne proizvodnje laserom. Tehnologija oblikovanja snopa se općenito odnosi na podešavanje distribucije talasnog fronta ulaznog snopa kako bi se dobile željene karakteristike distribucije intenziteta i 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 štampanja
U tehnologiji aditivne proizvodnje metala laserom, raspodjela energije laserskog snopa ima značajan utjecaj na kvalitetu štampanih dijelova. Iako se Gaussovi snopovi široko koriste u opremi za aditivnu proizvodnju metala laserom, oni pate od ozbiljnih nedostataka kao što su nestabilan kvalitet ispisa, niska iskorištenost energije i uski procesni prozori u procesu aditivne proizvodnje. Među njima, proces topljenja praha i dinamika rastopljenog bazena tokom procesa aditivne proizvodnje metala laserom usko su povezani s debljinom sloja praha. Zbog prisustva zona prskanja praha i erozije, stvarna debljina sloja praha je veća od teorijskog očekivanja. Drugo, stupac pare uzrokovao je glavno prskanje unatrag. Metalna para sudara se sa stražnjim zidom i formira prskanje, koje se raspršuje duž prednjeg zida okomito na konkavno područje rastopljenog bazena (kao što je prikazano na slici 3). Zbog složene interakcije između laserskog snopa i prskanja, izbačeno prskanje može ozbiljno utjecati na kvalitet ispisa sljedećih slojeva praha. Osim toga, stvaranje ključaonica u bazenu rastopljenog praha također ozbiljno utječe na kvalitetu štampanih dijelova. Unutrašnje pore štampanog komada uglavnom su uzrokovane nestabilnim rupama za zaključavanje.
Mehanizam formiranja 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 po cijenu žrtvovanja drugih dimenzija. Tehnologija oblikovanja snopa može precizno podesiti raspodjelu temperature i karakteristike protoka rastopljenog bazena. Kontroliranjem raspodjele laserske energije dobija se relativno stabilan rastopljeni bazen 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 efikasnosti proizvodnje i iskorištenju praha. Istovremeno, tehnologija oblikovanja snopa pruža nam više strategija obrade, uveliko oslobađajući slobodu dizajna procesa, što predstavlja revolucionarni napredak u tehnologiji laserske aditivne proizvodnje.
Vrijeme objave: 28. februar 2024.
