Tehnologija laserske aditivnega izdelave (AM) s svojimi prednostmi visoke natančnosti izdelave, velike prilagodljivosti in visoke stopnje avtomatizacije se široko uporablja v proizvodnji ključnih komponent na področjih, kot so avtomobilizem, medicina, vesoljska industrija itd. (kot je raketa šobe za gorivo, nosilci satelitskih anten, človeški vsadki itd.). Ta tehnologija lahko močno izboljša kombinirano delovanje tiskanih delov z integrirano proizvodnjo materialne strukture in zmogljivosti. Trenutno laserska aditivna proizvodna tehnologija na splošno uporablja fokusiran Gaussov žarek z visoko sredinsko in nizko porazdelitvijo energije na robu. Vendar pogosto ustvarja visoke toplotne gradiente v talini, kar vodi do kasnejšega nastanka por in grobih zrn. Tehnologija oblikovanja žarka je nova metoda za rešitev tega problema, ki izboljša učinkovitost in kakovost tiskanja s prilagajanjem porazdelitve energije laserskega žarka.
V primerjavi s tradicionalnim odštevanjem in enakovredno proizvodnjo ima tehnologija proizvodnje kovinskih dodatkov prednosti, kot so kratek čas proizvodnega cikla, visoka natančnost obdelave, visoka stopnja izkoriščenosti materiala in dobra splošna učinkovitost delov. Zato se tehnologija izdelave kovinskih dodatkov pogosto uporablja v panogah, kot so vesoljska industrija, orožje in oprema, jedrska energija, biofarmacevtika in avtomobili. Proizvodnja kovinskih dodatkov, ki temelji na načelu diskretnega zlaganja, uporablja vir energije (kot je laser, oblok ali elektronski žarek) za taljenje prahu ali žice, nato pa jih zlaga plast za plastjo za izdelavo ciljne komponente. Ta tehnologija ima pomembne prednosti pri izdelavi majhnih serij, kompleksnih struktur ali personaliziranih delov. Materiali, ki jih ni mogoče ali jih je težko obdelati s tradicionalnimi tehnikami, so primerni tudi za pripravo z metodami aditivne proizvodnje. Zaradi zgornjih prednosti je tehnologija aditivne proizvodnje pritegnila široko pozornost znanstvenikov tako doma kot v tujini. V zadnjih nekaj desetletjih je tehnologija aditivne proizvodnje hitro napredovala. Zaradi avtomatizacije in prilagodljivosti opreme za lasersko aditivno proizvodnjo ter obsežnih prednosti visoke gostote laserske energije in visoke natančnosti obdelave se je tehnologija laserske aditivne proizvodnje razvila najhitreje med tremi zgoraj omenjenimi tehnologijami za proizvodnjo kovin.
Tehnologijo laserske proizvodnje kovinskih dodatkov lahko nadalje razdelimo na LPBF in DED. Slika 1 prikazuje tipičen shematski diagram procesov LPBF in DED. Postopek LPBF, znan tudi kot selektivno lasersko taljenje (SLM), lahko izdela kompleksne kovinske komponente s skeniranjem visokoenergijskih laserskih žarkov vzdolž fiksne poti na površini prahu. Nato se prah stopi in strdi plast za plastjo. Postopek DED vključuje predvsem dva postopka tiskanja: nanašanje z laserskim taljenjem in proizvodnjo dodatkov za lasersko dovajanje žice. Obe tehnologiji lahko neposredno proizvajata in popravljata kovinske dele s sinhronim dovajanjem kovinskega prahu ali žice. V primerjavi z LPBF ima DED večjo produktivnost in večjo proizvodno površino. Poleg tega lahko ta metoda priročno pripravi kompozitne materiale in funkcionalno razvrščene materiale. Vendar pa je kakovost površine delov, ki jih natisne DED, vedno slaba in potrebna je naknadna obdelava za izboljšanje dimenzijske natančnosti ciljne komponente.
V trenutnem procesu laserske aditivne proizvodnje je fokusirani Gaussov žarek običajno vir energije. Vendar pa bo zaradi svoje edinstvene porazdelitve energije (visoko središče, nizek rob) verjetno povzročil visoke toplotne gradiente in nestabilnost bazena taline. Posledica slabe kakovosti oblikovanja tiskanih delov. Poleg tega, če je središčna temperatura bazena staline previsoka, bo to povzročilo izhlapevanje kovinskih elementov z nizkim tališčem, kar bo dodatno poslabšalo nestabilnost postopka LBPF. Zato se s povečanjem poroznosti znatno zmanjšajo mehanske lastnosti in življenjska doba tiskanih delov. Neenakomerna porazdelitev energije Gaussovih žarkov vodi tudi do nizke učinkovitosti izrabe laserske energije in pretirane izgube energije. Da bi dosegli boljšo kakovost tiskanja, so znanstveniki začeli raziskovati kompenzacijo napak Gaussovih žarkov s spreminjanjem procesnih parametrov, kot so moč laserja, hitrost skeniranja, debelina plasti prahu in strategija skeniranja, da bi nadzorovali možnost vnosa energije. Zaradi zelo ozkega procesnega okna te metode fiksne fizične omejitve omejujejo možnost nadaljnje optimizacije. Na primer, s povečanjem moči laserja in hitrosti skeniranja je mogoče doseči visoko proizvodno učinkovitost, vendar pogosto pride za ceno žrtvovanja kakovosti tiskanja. V zadnjih letih lahko spreminjanje porazdelitve laserske energije s strategijami oblikovanja snopa znatno izboljša učinkovitost proizvodnje in kakovost tiskanja, kar lahko postane prihodnja razvojna smer tehnologije laserske aditivne proizvodnje. Tehnologija oblikovanja žarka se na splošno nanaša na prilagoditev porazdelitve valovne fronte vhodnega žarka za pridobitev želene porazdelitve intenzivnosti in značilnosti širjenja. Uporaba tehnologije oblikovanja žarkov v tehnologiji aditivne proizvodnje kovin je prikazana na sliki 2.
Uporaba tehnologije oblikovanja žarkov v laserski aditivni proizvodnji
Pomanjkljivosti tradicionalnega tiskanja z Gaussovim žarkom
V tehnologiji aditivne proizvodnje kovinskih laserjev porazdelitev energije laserskega žarka pomembno vpliva na kakovost tiskanih delov. Čeprav se Gaussovi žarki pogosto uporabljajo v opremi za proizvodnjo kovinskih laserjev z aditivi, imajo resne pomanjkljivosti, kot so nestabilna kakovost tiskanja, nizka poraba energije in ozka procesna okna v procesu aditivnega izdelave. Med njimi sta postopek taljenja prahu in dinamika bazena staline med postopkom dodajanja kovinskega laserja tesno povezana z debelino plasti prahu. Zaradi prisotnosti brizganja prahu in erozijskih con je dejanska debelina plasti prahu višja od teoretičnega pričakovanja. Drugič, parni stolpec je povzročil glavne brizgajoče curke nazaj. Kovinska para trči ob zadnjo steno in tvori brizge, ki se razpršijo vzdolž sprednje stene pravokotno na konkavno območje bazena staline (kot je prikazano na sliki 3). Zaradi zapletenega medsebojnega delovanja med laserskim žarkom in brizgami lahko izvrženi pljuski resno vplivajo na kakovost tiskanja naslednjih plasti prahu. Poleg tega nastajanje ključavnic v bazenu taline resno vpliva tudi na kakovost tiskanih delov. Notranje pore tiskanega kosa so v glavnem posledica nestabilnih zaklepnih lukenj.
Mehanizem nastanka napak v tehnologiji oblikovanja žarka
Tehnologija oblikovanja žarkov lahko doseže izboljšanje zmogljivosti v več dimenzijah hkrati, kar se razlikuje od Gaussovih žarkov, ki izboljšajo zmogljivost v eni dimenziji za ceno žrtvovanja drugih dimenzij. Tehnologija oblikovanja žarka lahko natančno prilagodi porazdelitev temperature in karakteristike toka bazena taline. Z nadzorom porazdelitve laserske energije dobimo razmeroma stabilen staljeni bazen z majhnim temperaturnim gradientom. Ustrezna porazdelitev laserske energije je koristna za zatiranje poroznosti in napak pri brizganju ter izboljšanje kakovosti laserskega tiskanja na kovinske dele. Lahko doseže različne izboljšave proizvodne učinkovitosti in uporabe prahu. Hkrati nam tehnologija oblikovanja žarkov ponuja več strategij obdelave, kar močno osvobaja svobodo načrtovanja procesa, kar je revolucionaren napredek v tehnologiji laserske aditivne proizvodnje.
Čas objave: 28. februarja 2024
