Technológia laserovej aditívnej výroby (AM) so svojimi výhodami vysokej presnosti výroby, vysokej flexibility a vysokého stupňa automatizácie sa široko používa pri výrobe kľúčových komponentov v oblastiach, ako je automobilový priemysel, zdravotníctvo, letecký priemysel atď. (napr. palivové dýzy, držiaky satelitných antén, ľudské implantáty atď.). Táto technológia môže výrazne zlepšiť kombinovaný výkon tlačených dielov prostredníctvom integrovanej výroby štruktúry materiálu a výkonu. V súčasnosti technológia výroby laserových aditív vo všeobecnosti využíva zaostrený Gaussov lúč s vysokým stredom a nízkou distribúciou energie okrajov. Často však generuje vysoké tepelné gradienty v tavenine, čo vedie k následnej tvorbe pórov a hrubých zŕn. Technológia tvarovania lúča je novou metódou riešenia tohto problému, ktorá zlepšuje efektivitu a kvalitu tlače úpravou distribúcie energie laserového lúča.
V porovnaní s tradičným odčítaním a ekvivalentnou výrobou má technológia výroby kovových prísad výhody, ako je krátky čas výrobného cyklu, vysoká presnosť spracovania, vysoká miera využitia materiálu a dobrý celkový výkon dielov. Preto je technológia výroby kovových prísad široko používaná v odvetviach, ako je letecký priemysel, zbrane a vybavenie, jadrová energetika, biofarmaceutiká a automobily. Na princípe diskrétneho stohovania, výroba kovových aditív využíva zdroj energie (ako je laser, oblúk alebo elektrónový lúč) na roztavenie prášku alebo drôtu a potom ich ukladá vrstvu po vrstve na výrobu cieľového komponentu. Táto technológia má významné výhody pri výrobe malých sérií, zložitých štruktúr alebo personalizovaných dielov. Materiály, ktoré sa nedajú spracovať alebo sa ťažko spracúvajú tradičnými technikami, sú tiež vhodné na prípravu aditívnymi výrobnými metódami. Vďaka vyššie uvedeným výhodám pritiahla technológia aditívnej výroby širokú pozornosť domácich aj medzinárodných vedcov. V posledných desaťročiach zaznamenala technológia aditívnej výroby rýchly pokrok. Vďaka automatizácii a flexibilite zariadení na výrobu laserových aditív, ako aj komplexným výhodám vysokej hustoty laserovej energie a vysokej presnosti spracovania sa technológia výroby laserových aditív vyvinula najrýchlejšie spomedzi troch vyššie uvedených technológií výroby kovových aditív.
Technológia výroby laserových aditív môže byť ďalej rozdelená na LPBF a DED. Obrázok 1 ukazuje typický schematický diagram procesov LPBF a DED. Proces LPBF, tiež známy ako selektívne laserové tavenie (SLM), dokáže vyrábať zložité kovové komponenty skenovaním vysokoenergetických laserových lúčov pozdĺž pevnej dráhy na povrchu práškového lôžka. Potom sa prášok roztopí a stuhne vrstvu po vrstve. Proces DED zahŕňa hlavne dva procesy tlače: nanášanie laserovým tavením a výrobu aditív na podávanie laserového drôtu. Obe tieto technológie môžu priamo vyrábať a opravovať kovové časti synchrónnym podávaním kovového prášku alebo drôtu. V porovnaní s LPBF má DED vyššiu produktivitu a väčšiu výrobnú plochu. Okrem toho sa touto metódou dajú pohodlne pripraviť aj kompozitné materiály a funkčne triedené materiály. Kvalita povrchu dielov vytlačených spoločnosťou DED je však vždy nízka a na zlepšenie rozmerovej presnosti cieľového komponentu je potrebné následné spracovanie.
V súčasnom procese výroby laserových aditív je zvyčajne zdrojom energie zaostrený Gaussov lúč. Vzhľadom na svoju jedinečnú distribúciu energie (vysoký stred, nízky okraj) však pravdepodobne spôsobí vysoké teplotné gradienty a nestabilitu taveniny. Výsledkom je zlá kvalita tvarovania tlačených dielov. Okrem toho, ak je stredná teplota roztaveného kúpeľa príliš vysoká, spôsobí to odparovanie kovových prvkov s nízkou teplotou topenia, čo ďalej zhorší nestabilitu procesu LBPF. Preto sa so zvýšením pórovitosti výrazne znižujú mechanické vlastnosti a únavová životnosť tlačených dielov. Nerovnomerné rozloženie energie Gaussových lúčov tiež vedie k nízkej účinnosti využitia energie lasera a nadmernému plytvaniu energiou. Aby sa dosiahla lepšia kvalita tlače, vedci začali skúmať kompenzáciu defektov Gaussových lúčov úpravou parametrov procesu, ako je výkon lasera, rýchlosť skenovania, hrúbka vrstvy prášku a stratégia skenovania, aby sa kontrolovala možnosť vstupu energie. Vzhľadom na veľmi úzke okno spracovania tejto metódy obmedzujú pevné fyzikálne obmedzenia možnosť ďalšej optimalizácie. Napríklad zvýšením výkonu lasera a rýchlosti skenovania možno dosiahnuť vysokú efektivitu výroby, ale často je to za cenu obetovania kvality tlače. V posledných rokoch môže zmena distribúcie laserovej energie prostredníctvom stratégií tvarovania lúča výrazne zlepšiť efektivitu výroby a kvalitu tlače, čo sa môže stať budúcim smerom vývoja technológie výroby laserových aditív. Technológia tvarovania lúča sa vo všeobecnosti vzťahuje na úpravu distribúcie čela vlny vstupného lúča na získanie požadovaného rozloženia intenzity a charakteristík šírenia. Aplikácia technológie tvarovania lúča v technológii výroby kovových prísad je znázornená na obrázku 2.
Aplikácia technológie tvarovania lúča v laserovej aditívnej výrobe
Nedostatky tradičnej tlače Gaussovým lúčom
V technológii výroby kovových laserových aditív má distribúcia energie laserového lúča významný vplyv na kvalitu tlačených dielov. Hoci Gaussove lúče boli široko používané v zariadeniach na výrobu kovových laserových aditív, trpia vážnymi nevýhodami, ako je nestabilná kvalita tlače, nízka spotreba energie a úzke procesné okná v procese výroby aditív. Medzi nimi proces tavenia prášku a dynamika roztaveného kúpeľa počas procesu pridávania kovového lasera úzko súvisia s hrúbkou vrstvy prášku. V dôsledku prítomnosti rozstreku prášku a eróznych zón je skutočná hrúbka vrstvy prášku vyššia ako teoretické predpoklady. Po druhé, stĺpec pary spôsobil špliechanie hlavného spätného prúdu. Kovová para sa zráža so zadnou stenou a vytvára striekance, ktoré sa rozprašujú pozdĺž prednej steny kolmo na konkávnu oblasť roztaveného kúpeľa (ako je znázornené na obrázku 3). V dôsledku komplexnej interakcie medzi laserovým lúčom a rozstrekmi môžu vyvrhnuté rozstreky vážne ovplyvniť kvalitu tlače nasledujúcich práškových vrstiev. Okrem toho vytváranie kľúčových dierok v tavenine tiež vážne ovplyvňuje kvalitu tlačených dielov. Vnútorné póry potlačeného dielu sú spôsobené hlavne nestabilnými uzamykacími otvormi.
Mechanizmus vzniku defektov v technológii tvarovania lúčov
Technológia tvarovania lúča môže dosiahnuť zlepšenie výkonu vo viacerých rozmeroch súčasne, čo sa líši od Gaussových lúčov, ktoré zlepšujú výkon v jednom rozmere za cenu obetovania iných rozmerov. Technológia tvarovania lúčov dokáže presne upraviť distribúciu teploty a prietokové charakteristiky tavného bazéna. Riadením distribúcie laserovej energie sa získa relatívne stabilný roztavený kúpeľ s malým teplotným gradientom. Vhodné rozloženie laserovej energie je prospešné pre potlačenie pórovitosti a defektov rozprašovania a zlepšenie kvality laserovej tlače na kovové časti. Môže dosiahnuť rôzne zlepšenia efektívnosti výroby a využitia prášku. Technológia tvarovania lúča nám zároveň poskytuje viac stratégií spracovania, čím výrazne oslobodzuje slobodu navrhovania procesov, čo je revolučný pokrok v technológii výroby laserových aditív.
Čas odoslania: 28. februára 2024
