Laseradditiv fremstillingsteknologi (AM) med sine fordele ved høj fremstillingsnøjagtighed, stærk fleksibilitet og høj grad af automatisering er meget anvendt i fremstillingen af nøglekomponenter inden for områder som bilindustrien, medicin, luftfart osv. (såsom raketbrændstofdyser, satellitantennebeslag, menneskelige implantater osv.). Denne teknologi kan i høj grad forbedre den kombinerede ydeevne af trykte dele gennem integreret fremstilling af materialestruktur og ydeevne. I øjeblikket anvender laseradditiv fremstillingsteknologi generelt en fokuseret Gaussisk stråle med en høj center- og lav kantenergifordeling. Det genererer dog ofte høje termiske gradienter i smelten, hvilket fører til efterfølgende dannelse af porer og grove korn. Stråleformningsteknologi er en ny metode til at løse dette problem, som forbedrer trykeffektiviteten og kvaliteten ved at justere fordelingen af laserstråleenergi.
Sammenlignet med traditionel subtraktion og tilsvarende fremstilling har metaladditiv fremstillingsteknologi fordele såsom kort fremstillingscyklustid, høj bearbejdningsnøjagtighed, høj materialeudnyttelsesgrad og god samlet ydeevne for dele. Derfor er metaladditiv fremstillingsteknologi meget udbredt i industrier som luftfart, våben og udstyr, atomkraft, biofarmaceutiske produkter og biler. Baseret på princippet om diskret stabling bruger metaladditiv fremstilling 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 produktion af små partier, komplekse strukturer eller personlige dele. Materialer, der ikke kan eller er vanskelige at bearbejde ved hjælp af traditionelle teknikker, er også egnede til fremstilling ved hjælp af additive fremstillingsmetoder. På grund af ovenstående fordele har additiv fremstillingsteknologi tiltrukket sig bred opmærksomhed fra forskere både nationalt og internationalt. I de seneste 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 bearbejdningsnøjagtighed, har laseradditiv fremstillingsteknologi udviklet sig hurtigst blandt de tre ovennævnte metaladditiv fremstillingsteknologier.
Laseradditiv fremstillingsteknologi til metal kan yderligere opdeles i LPBF og DED. Figur 1 viser et typisk skematisk diagram over LPBF- og DED-processerne. LPBF-processen, også kendt som Selective Laser Melting (SLM), kan fremstille komplekse metalkomponenter ved at scanne højenergilaserstråler langs en fast bane på overfladen af et pulverleje. Derefter smelter pulveret og størkner lag for lag. DED-processen omfatter hovedsageligt to trykprocesser: lasersmelteaflejring og additiv fremstilling med lasertrådfremføring. Begge disse teknologier kan direkte fremstille og reparere metaldele ved synkront at fremføre metalpulver eller -tråd. Sammenlignet med LPBF har DED højere produktivitet og et større produktionsområde. Derudover kan denne metode også nemt fremstille kompositmaterialer og funktionelt graduerede materialer. Overfladekvaliteten af dele, der trykkes med DED, er dog altid dårlig, og efterfølgende bearbejdning er nødvendig for at forbedre målkomponentens dimensionsnøjagtighed.
I den nuværende laseradditive fremstillingsproces er den fokuserede Gaussiske stråle normalt energikilden. På grund af dens unikke energifordeling (højt center, lav kant) er det dog sandsynligt, at den forårsager høje termiske gradienter og ustabilitet i smeltebadet. Dette resulterer i dårlig formningskvalitet af de trykte dele. Derudover, hvis centertemperaturen i smeltebadet er for høj, vil det forårsage, at metalelementerne med lavt smeltepunkt fordamper, hvilket yderligere forværrer ustabiliteten i LBPF-processen. Derfor reduceres de mekaniske egenskaber og udmattelseslevetiden for de trykte dele betydeligt med en stigning i porøsitet. Den ujævne energifordeling af Gaussiske stråler fører også til lav laserenergiudnyttelseseffektivitet og overdreven energispild. For at opnå bedre trykkvalitet er forskere begyndt at undersøge mulighederne for at kompensere for defekterne i Gaussiske stråler ved at ændre procesparametre såsom lasereffekt, scanningshastighed, pulverlagtykkelse og scanningsstrategi for at kontrollere muligheden for energitilførsel. På grund af det meget snævre behandlingsvindue for denne metode begrænser faste fysiske begrænsninger muligheden for yderligere optimering. For eksempel kan øget lasereffekt og scanningshastighed opnå høj produktionseffektivitet, men det sker ofte på bekostning af udskrivningskvaliteten. I de senere år har ændring af laserenergifordelingen gennem stråleformningsstrategier forbedret produktionseffektiviteten 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 udbredelsesegenskaber. Anvendelsen af stråleformningsteknologi i additiv fremstillingsteknologi til metal er vist i figur 2.
Anvendelse af stråleformningsteknologi i laseradditiv fremstilling
Ulemperne ved traditionel Gaussisk stråletrykning
Inden for additiv fremstillingsteknologi til metallasere har laserstrålens energifordeling en betydelig indflydelse på kvaliteten af de trykte dele. Selvom Gaussiske stråler har været meget anvendt i additiv fremstillingsudstyr til metallasere, lider de af alvorlige ulemper såsom ustabil udskrivningskvalitet, lav energiudnyttelse og smalle procesvinduer i den additive fremstillingsproces. Blandt disse er pulverets smelteproces og dynamikken i smeltebadet under den additive metallaserproces 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 primære bagudrettede strålesprøjt. Metaldampen kolliderer med bagvæggen og danner stænk, som sprøjtes langs forvæggen vinkelret på det konkave område af smeltebadet (som vist i figur 3). På grund af den komplekse interaktion mellem laserstrålen og stænk kan de udstødte stænk alvorligt påvirke udskrivningskvaliteten af efterfølgende pulverlag. Derudover påvirker dannelsen af nøglehuller i smeltebadet også alvorligt kvaliteten af de trykte dele. De indre porer i det trykte stykke skyldes hovedsageligt ustabile låsehuller.
Dannelsesmekanismen for defekter i stråleformningsteknologi
Stråleformningsteknologi kan opnå forbedringer i flere dimensioner samtidigt, hvilket er forskelligt fra Gaussiske stråler, der forbedrer ydeevnen i én dimension på bekostning af at ofre andre dimensioner. Stråleformningsteknologi kan præcist justere temperaturfordelingen og strømningsegenskaberne i smeltebadet. Ved at kontrollere fordelingen af laserenergi opnås en relativt stabil smeltebad med en lille temperaturgradient. Passende laserenergifordeling er gavnlig for at undertrykke porøsitet og sputteringsdefekter og forbedre kvaliteten af laserprint på metaldele. Det kan opnå forskellige forbedringer i produktionseffektivitet og pulverudnyttelse. Samtidig giver stråleformningsteknologi os flere behandlingsstrategier, hvilket i høj grad frigør friheden i procesdesign, hvilket er et revolutionerende fremskridt inden for laseradditiv fremstillingsteknologi.
Opslagstidspunkt: 28. feb. 2024
