Примена на технологија за обликување на зрак во производството на метални ласерски адитиви

Технологијата за производство на ласерски адитиви (AM), со своите предности на високата производна прецизност, силната флексибилност и високиот степен на автоматизација, е широко користена во производството на клучните компоненти во области како што се автомобилската, медицинската, воздушната итн. (како што се ракетите прскалки за гориво, држачи за сателитски антени, човечки импланти итн.). Оваа технологија може значително да ги подобри комбинираните перформанси на печатените делови преку интегрирано производство на структурата и перформансите на материјалот. Во моментов, технологијата за производство на ласерски адитиви генерално прифаќа фокусиран Гаусовиот зрак со висок центар и дистрибуција на енергија со низок раб. Сепак, често генерира високи термички градиенти во топењето, што доведува до последователно формирање на пори и крупни зрна. Технологијата за обликување на зрак е нов метод за решавање на овој проблем, кој ја подобрува ефикасноста и квалитетот на печатењето со прилагодување на дистрибуцијата на енергијата на ласерскиот зрак.

Во споредба со традиционалното одземање и еквивалентно производство, технологијата за производство на метални адитиви има предности како што се кратко време на производствен циклус, висока прецизност на обработка, висока стапка на искористување на материјалот и добри вкупни перформанси на деловите. Затоа, технологијата за производство на метални адитиви е широко користена во индустриите како што се воздушната, оружјето и опремата, нуклеарната енергија, биофармацевтските производи и автомобилите. Врз основа на принципот на дискретно редење, производството на метални адитиви користи извор на енергија (како ласер, лак или електронски зрак) за да се стопи прашокот или жицата, а потоа да се наредат слој по слој за да се произведе целната компонента. Оваа технологија има значителни предности во производството на мали серии, сложени структури или персонализирани делови. Материјалите кои не можат или се тешки за обработка со користење на традиционални техники се исто така погодни за подготовка со помош на методи на производство на адитиви. Поради горенаведените предности, технологијата за производство на адитиви привлече големо внимание од научниците и домашно и на меѓународно ниво. Во изминатите неколку децении, технологијата за производство на адитиви постигна брз напредок. Поради автоматизацијата и флексибилноста на опремата за производство на ласерски адитиви, како и сеопфатните предности на високата густина на ласерската енергија и високата прецизност на обработката, технологијата за производство на ласерски адитиви разви најбрзо меѓу трите технологии за производство на метални адитиви споменати погоре.

Технологијата за производство на ласерски метални адитиви може дополнително да се подели на LPBF и DED. Слика 1 покажува типичен шематски дијаграм на LPBF и DED процесите. Процесот LPBF, исто така познат како Селективно ласерско топење (SLM), може да произведе сложени метални компоненти со скенирање на високоенергетски ласерски зраци по фиксна патека на површината на прашокот за прав. Потоа, прашокот се топи и се зацврстува слој по слој. Процесот на DED главно вклучува два процеси на печатење: таложење со ласерско топење и производство на адитиви за напојување со ласерска жица. И двете од овие технологии можат директно да произведуваат и поправаат метални делови со синхроно напојување на метален прав или жица. Во споредба со LPBF, DED има поголема продуктивност и поголема производна област. Дополнително, овој метод исто така може погодно да подготви композитни материјали и функционално оценети материјали. Сепак, квалитетот на површината на деловите печатени од DED е секогаш слаб и потребна е последователна обработка за да се подобри точноста на димензиите на целната компонента.

Во тековниот процес на производство на ласерски адитиви, фокусираниот Гаусовиот зрак обично е извор на енергија. Сепак, поради неговата единствена дистрибуција на енергија (висок центар, низок раб), најверојатно ќе предизвика високи термички градиенти и нестабилност на базенот на топење. Резултира со слаб квалитет на формирање на печатените делови. Дополнително, ако централната температура на стопениот базен е превисока, тоа ќе предизвика испарување на металните елементи со ниска точка на топење, што дополнително ќе ја влоши нестабилноста на процесот LBPF. Затоа, со зголемување на порозноста, механичките својства и векот на замор на печатените делови значително се намалуваат. Нерамномерната распределба на енергијата на Гаусови зраци, исто така, доведува до ниска ефикасност на искористување на ласерската енергија и прекумерно трошење енергија. Со цел да се постигне подобар квалитет на печатење, научниците почнаа да истражуваат компензирање на дефектите на Гаусови зраци со модифицирање на параметрите на процесот како што се ласерската моќност, брзината на скенирање, дебелината на слојот во прав и стратегијата за скенирање, со цел да се контролира можноста за внесување енергија. Поради многу тесниот прозорец за обработка на овој метод, фиксните физички ограничувања ја ограничуваат можноста за понатамошна оптимизација. На пример, зголемувањето на моќноста на ласерот и брзината на скенирање може да постигне висока производна ефикасност, но често доаѓа по цена на жртвување на квалитетот на печатењето. Во последниве години, промената на дистрибуцијата на ласерската енергија преку стратегии за обликување на зрак може значително да ја подобри ефикасноста на производството и квалитетот на печатењето, што може да стане идниот развојен правец на технологијата за производство на ласерски адитиви. Технологијата за обликување на зракот генерално се однесува на прилагодување на дистрибуцијата на брановиот преден дел на влезниот зрак за да се добие саканиот интензитет на дистрибуција и карактеристики на ширење. Примената на технологијата за обликување на греди во технологијата за производство на метални адитиви е прикажана на Слика 2.

Примена на технологија за обликување на зрак во производството на ласерски адитиви

Недостатоци на традиционалното печатење со гаусски зрак

Во технологијата за производство на метални ласерски адитиви, распределбата на енергијата на ласерскиот зрак има значително влијание врз квалитетот на печатените делови. Иако Гаусовите зраци се широко користени во опремата за производство на метални ласерски адитиви, тие страдаат од сериозни недостатоци како што се нестабилен квалитет на печатење, мала искористеност на енергија и тесни процесни прозорци во процесот на производство на адитиви. Меѓу нив, процесот на топење на прав и динамиката на стопениот базен за време на процесот на метален ласерски адитиви се тесно поврзани со дебелината на слојот во прав. Поради присуството на зони за прскање и ерозија во прав, вистинската дебелина на слојот од прав е поголема од теоретските очекувања. Второ, колоната на пареа ги предизвика главните прскања на млазот назад. Металната пареа се судира со задниот ѕид за да формира прскања, кои се прскаат по должината на предниот ѕид нормално на вдлабнатата област на стопениот базен (како што е прикажано на слика 3). Поради сложената интеракција помеѓу ласерскиот зрак и прскањето, исфрлените прскања може сериозно да влијаат на квалитетот на печатењето на следните слоеви на прав. Покрај тоа, формирањето на клучалки во базенот за топење, исто така, сериозно влијае на квалитетот на печатените делови. Внатрешните пори на испечатеното парче главно се предизвикани од нестабилни отвори за заклучување.

Механизмот на формирање на дефекти во технологијата за обликување на зрак

Технологијата за обликување на греди може да постигне подобрување на перформансите во повеќе димензии истовремено, што е различно од гаусовите греди кои ги подобруваат перформансите во една димензија по цена на жртвување на други димензии. Технологијата за обликување на зрак може точно да ја прилагоди дистрибуцијата на температурата и карактеристиките на протокот на базенот за топење. Со контролирање на дистрибуцијата на ласерската енергија, се добива релативно стабилен стопен базен со мал температурен градиент. Соодветната дистрибуција на ласерската енергија е корисна за потиснување на порозноста и дефектите на распрскување и за подобрување на квалитетот на ласерското печатење на метални делови. Може да постигне различни подобрувања во ефикасноста на производството и искористувањето на прав. Во исто време, технологијата за обликување на зрак ни обезбедува повеќе стратегии за обработка, во голема мера ослободувајќи ја слободата на дизајнот на процесот, што е револуционерен напредок во технологијата за производство на ласерски адитиви.