Laser additive manufacturing (AM) teknologi, med dens fordele ved høj fremstillingsnøjagtighed, stærk fleksibilitet og høj grad af automatisering, er meget udbredt til fremstilling af nøglekomponenter inden for områder som bilindustrien, medicin, rumfart osv. (såsom raket) brændstofdyser, satellitantennebeslag, menneskelige implantater osv.). Denne teknologi kan i høj grad forbedre kombinationsydelsen af trykte dele gennem integreret fremstilling af materialestruktur og ydeevne. På nuværende tidspunkt vedtager laseradditiv fremstillingsteknologi generelt en fokuseret gaussisk stråle med en høj center- og lavkantenergifordeling. Imidlertid genererer det ofte høje termiske gradienter i smelten, hvilket fører til den efterfølgende dannelse af porer og grove korn. Beam shaping-teknologi er en ny metode til at løse dette problem, som forbedrer printeffektiviteten og kvaliteten ved at justere fordelingen af laserstråleenergi.
Sammenlignet med traditionel subtraktion og tilsvarende fremstilling har metaladditiv fremstillingsteknologi fordele såsom kort fremstillingscyklustid, høj behandlingsnøjagtighed, høj materialeudnyttelsesgrad og god samlet ydeevne af dele. Derfor er teknologi til fremstilling af metaladditiv i vid udstrækning brugt i industrier som rumfart, våben og udstyr, atomkraft, biofarmaceutiske produkter og biler. Baseret på princippet om diskret stabling, anvender metaladditivfremstilling en energikilde (såsom laser, lysbue eller elektronstråle) til at smelte pulveret eller tråden og stabler dem derefter lag for lag for at fremstille målkomponenten. Denne teknologi har betydelige fordele ved fremstilling af små partier, komplekse strukturer eller personlige dele. Materialer, der ikke kan eller er vanskelige at bearbejde ved hjælp af traditionelle teknikker, er også velegnede til fremstilling ved hjælp af additive fremstillingsmetoder. På grund af ovennævnte fordele har additiv fremstillingsteknologi tiltrukket bred opmærksomhed fra forskere både nationalt og internationalt. I de sidste par årtier har additiv fremstillingsteknologi gjort hurtige fremskridt. På grund af automatiseringen og fleksibiliteten af laseradditiv fremstillingsudstyr samt de omfattende fordele ved høj laserenergitæthed og høj behandlingsnøjagtighed, har laseradditiv fremstillingsteknologi udviklet sig den hurtigste blandt de tre metaladditive fremstillingsteknologier nævnt ovenfor.
Laser metal additiv fremstillingsteknologi kan yderligere opdeles i LPBF og DED. Figur 1 viser et typisk skematisk diagram af LPBF- og DED-processer. LPBF-processen, også kendt som Selective Laser Melting (SLM), kan fremstille komplekse metalkomponenter ved at scanne højenergi-laserstråler langs en fast bane på overfladen af en pulverleje. Derefter smelter pulveret og størkner lag for lag. DED-processen omfatter hovedsageligt to printprocesser: lasersmelteaflejring og lasertrådfremføring af additiv fremstilling. Begge disse teknologier kan direkte fremstille og reparere metaldele ved synkront at tilføre metalpulver eller tråd. Sammenlignet med LPBF har DED højere produktivitet og større produktionsområde. Derudover kan denne metode også bekvemt fremstille kompositmaterialer og funktionelt sorterede materialer. Overfladekvaliteten af dele udskrevet af DED er dog altid dårlig, og efterfølgende behandling er nødvendig for at forbedre målkomponentens dimensionelle nøjagtighed.
I den nuværende laseradditivfremstillingsproces er den fokuserede Gauss-stråle normalt energikilden. Men på grund af dens unikke energifordeling (højt center, lav kant) vil det sandsynligvis forårsage høje termiske gradienter og ustabilitet i smeltebassinet. Resulterer i dårlig formningskvalitet af trykte dele. Derudover, hvis centertemperaturen i den smeltede pool er for høj, vil det få metalelementerne med lavt smeltepunkt til at fordampe, hvilket yderligere forværrer ustabiliteten af LBPF-processen. Derfor, med en stigning i porøsitet, reduceres de mekaniske egenskaber og udmattelseslevetiden for trykte dele betydeligt. Den ujævne energifordeling af gaussiske stråler fører også til lav laserenergiudnyttelseseffektivitet og overdreven energispild. For at opnå bedre udskriftskvalitet er forskere begyndt at udforske kompensation for defekterne ved Gauss-stråler ved at ændre procesparametre som lasereffekt, scanningshastighed, pulverlagtykkelse og scanningsstrategi for at kontrollere muligheden for energiinput. På grund af denne metodes meget snævre behandlingsvindue begrænser faste fysiske begrænsninger muligheden for yderligere optimering. For eksempel kan øget lasereffekt og scanningshastighed opnå høj produktionseffektivitet, men det kommer ofte på bekostning af at ofre printkvaliteten. I de senere år kan ændring af laserenergifordelingen gennem stråleformningsstrategier forbedre fremstillingseffektiviteten og udskrivningskvaliteten betydeligt, hvilket kan blive den fremtidige udviklingsretning for laseradditiv fremstillingsteknologi. Stråleformningsteknologi refererer generelt til justering af bølgefrontfordelingen af inputstrålen for at opnå den ønskede intensitetsfordeling og udbredelseskarakteristika. Anvendelsen af stråleformningsteknologi i metaladditiv fremstillingsteknologi er vist i figur 2.
Anvendelse af stråleformningsteknologi i laseradditiv fremstilling
Manglerne ved traditionel Gaussisk stråletryk
I metallaser-additivfremstillingsteknologi har laserstrålens energifordeling en betydelig indvirkning på kvaliteten af trykte dele. Selvom gaussiske stråler er blevet brugt i vid udstrækning i udstyr til fremstilling af additivt metallaser, lider de af alvorlige ulemper såsom ustabil printkvalitet, lav energiudnyttelse og smalle procesvinduer i den additive fremstillingsproces. Blandt dem er pulverets smelteproces og dynamikken i den smeltede pool under metallaser-additivprocessen tæt forbundet med pulverlagets tykkelse. På grund af tilstedeværelsen af pulversprøjt og erosionszoner er den faktiske tykkelse af pulverlaget højere end den teoretiske forventning. For det andet forårsagede dampsøjlen de vigtigste bagudgående jetsprøjt. Metaldampen kolliderer med bagvæggen og danner stænk, som sprøjtes langs frontvæggen vinkelret på det konkave område af den smeltede pool (som vist i figur 3). På grund af den komplekse vekselvirkning mellem laserstrålen og stænk kan de udstødte stænk alvorligt påvirke printkvaliteten af efterfølgende pulverlag. Derudover påvirker dannelsen af nøglehuller i smeltebassinet også i alvorlig grad kvaliteten af trykte dele. De indvendige porer i det trykte stykke er hovedsageligt forårsaget af ustabile låsehuller.
Dannelsesmekanismen for defekter i stråleformningsteknologi
Stråleformningsteknologi kan opnå ydeevneforbedring i flere dimensioner samtidigt, hvilket er forskelligt fra Gauss-bjælker, der forbedrer ydeevnen i én dimension på bekostning af at ofre andre dimensioner. Stråleformningsteknologi kan præcist justere temperaturfordelingen og strømningsegenskaberne for smeltebassinet. Ved at styre fordelingen af laserenergi opnås en forholdsvis stabil smeltet pool med en lille temperaturgradient. Passende laserenergifordeling er gavnlig til at undertrykke porøsitet og sputterdefekter og forbedre kvaliteten af laserudskrivning på metaldele. Det kan opnå forskellige forbedringer i produktionseffektivitet og pulverudnyttelse. Samtidig giver stråleformningsteknologien os flere behandlingsstrategier, hvilket i høj grad frigør procesdesignets frihed, hvilket er et revolutionerende fremskridt inden for laseradditiv fremstillingsteknologi.
Indlægstid: 28-2-2024
