Tehnologija laserske aditivne proizvodnje (AM) se s svojimi prednostmi visoke natančnosti izdelave, velike fleksibilnosti in visoke stopnje avtomatizacije pogosto uporablja pri izdelavi ključnih komponent na področjih, kot so avtomobilska, medicina, vesoljska in letalska industrija itd. (kot so šobe za raketno gorivo, nosilci satelitskih anten, človeški vsadki itd.). Ta tehnologija lahko močno izboljša kombinacijo zmogljivosti tiskanih delov z integrirano proizvodnjo strukture in zmogljivosti materiala. Trenutno tehnologija laserske aditivne proizvodnje običajno uporablja fokusiran Gaussov žarek z visoko porazdelitvijo energije v središču in nizko porazdelitvijo energije na robu. Vendar pa pogosto ustvarja visoke toplotne gradiente v talini, kar vodi do poznejšega 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 tradicionalno odštevanjem in enakovredno proizvodnjo ima tehnologija aditivne proizvodnje kovin prednosti, kot so kratek proizvodni cikel, visoka natančnost obdelave, visoka stopnja izkoriščenosti materiala in dobra splošna zmogljivost delov. Zato se tehnologija aditivne proizvodnje kovin pogosto uporablja v panogah, kot so vesoljska industrija, orožje in oprema, jedrska energija, biofarmacevtski izdelki in avtomobili. Na podlagi načela diskretnega zlaganja aditivna proizvodnja kovin 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 je težko obdelati s tradicionalnimi tehnikami, so primerni tudi za pripravo z metodami aditivne proizvodnje. Zaradi zgoraj navedenih 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 aditivne proizvodnje kovin.
Tehnologijo laserske aditivne proizvodnje kovin lahko nadalje razdelimo na LPBF in DED. Slika 1 prikazuje tipičen shematski diagram postopkov LPBF in DED. Postopek LPBF, znan tudi kot selektivno lasersko taljenje (SLM), lahko izdeluje kompleksne kovinske komponente s skeniranjem visokoenergijskih laserskih žarkov vzdolž fiksne poti na površini praškaste plasti. Nato se prah stopi in strdi plast za plastjo. Postopek DED vključuje predvsem dva postopka tiskanja: nanašanje z laserskim taljenjem in aditivno proizvodnjo z laserskim dovajanjem žice. Obe tehnologiji lahko neposredno izdelujeta in popravljata kovinske dele s sočasnim dovajanjem kovinskega prahu ali žice. V primerjavi z LPBF ima DED večjo produktivnost in večje proizvodno območje. Poleg tega lahko ta metoda priročno pripravi tudi kompozitne materiale in funkcionalno stopnjevane materiale. Vendar pa je kakovost površine delov, natisnjenih z DED, vedno slaba, zato je potrebna naknadna obdelava za izboljšanje dimenzijske natančnosti ciljne komponente.
V trenutnem postopku laserske aditivne proizvodnje je običajno vir energije fokusiran Gaussov žarek. Vendar pa zaradi svoje edinstvene porazdelitve energije (visoko središče, nizek rob) verjetno povzroči visoke toplotne gradiente in nestabilnost talilne kadi. Posledica tega je slaba kakovost oblikovanja tiskanih delov. Poleg tega, če je središčna temperatura talilne kadi previsoka, bo to povzročilo uparjanje kovinskih elementov z nizkim tališčem, kar bo še poslabšalo nestabilnost postopka LBPF. Zato se z večjo poroznostjo znatno zmanjšajo mehanske lastnosti in življenjska doba tiskanih delov. Neenakomerna porazdelitev energije Gaussovih žarkov vodi tudi do nizke učinkovitosti izrabe laserske energije in prekomerne porabe 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 okna obdelave te metode fiksne fizikalne omejitve omejujejo možnost nadaljnje optimizacije. Na primer, povečanje laserske moči in hitrosti skeniranja lahko doseže visoko proizvodno učinkovitost, vendar pogosto pride za ceno žrtvovanja kakovosti tiskanja. V zadnjih letih lahko spreminjanje porazdelitve laserske energije s strategijami oblikovanja žarka znatno izboljša proizvodno učinkovitost in kakovost tiskanja, kar bi lahko postala prihodnja smer razvoja tehnologije laserske aditivne proizvodnje. Tehnologija oblikovanja žarka se na splošno nanaša na prilagajanje porazdelitve valovne fronte vhodnega žarka za doseganje želene porazdelitve intenzivnosti in značilnosti širjenja. Uporaba tehnologije oblikovanja žarka v tehnologiji aditivne proizvodnje kovin je prikazana na sliki 2.
Uporaba tehnologije oblikovanja žarka v laserski aditivni proizvodnji
Slabosti tradicionalnega Gaussovega žarkovnega tiskanja
V tehnologiji aditivne proizvodnje kovin z laserjem ima porazdelitev energije laserskega žarka pomemben vpliv na kakovost tiskanih delov. Čeprav se Gaussovi žarki pogosto uporabljajo v opremi za aditivno proizvodnjo kovin z laserjem, imajo resne pomanjkljivosti, kot so nestabilna kakovost tiskanja, nizka izraba energije in ozka procesna okna v procesu aditivne proizvodnje. Med njimi sta proces taljenja prahu in dinamika staljene talilne kadi med procesom aditivne proizvodnje kovin z laserjem tesno povezana z debelino plasti prahu. Zaradi prisotnosti con brizganja prahu in erozije je dejanska debelina plasti prahu višja od teoretičnega pričakovanja. Drugič, parni steber je povzročil glavne brizge povratnega curka. Kovinska para trči v zadnjo steno in tvori brizge, ki se razpršijo vzdolž sprednje stene pravokotno na konkavno območje staljene kadi (kot je prikazano na sliki 3). Zaradi kompleksne interakcije med laserskim žarkom in brizgi lahko izvrženi brizgi resno vplivajo na kakovost tiskanja naslednjih plasti prahu. Poleg tega nastanek ključavnic v talini prav tako resno vpliva na kakovost tiskanih delov. Notranje pore tiskanega kosa so predvsem posledica nestabilnih zapornih lukenj.
Mehanizem nastanka napak v tehnologiji oblikovanja žarka
Tehnologija oblikovanja žarka 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 pretočne značilnosti talilne kadi. Z nadzorom porazdelitve laserske energije se doseže relativno stabilna talilna kad z majhnim temperaturnim gradientom. Ustrezna porazdelitev laserske energije je koristna za zatiranje poroznosti in napak zaradi razprševanja ter izboljšanje kakovosti laserskega tiskanja na kovinske dele. Lahko doseže različne izboljšave v učinkovitosti proizvodnje in izkoriščenosti prahu. Hkrati nam tehnologija oblikovanja žarka ponuja več strategij obdelave, kar močno osvobaja svobodo načrtovanja procesov, kar je revolucionaren napredek v tehnologiji laserske aditivne proizvodnje.
Čas objave: 28. februar 2024
