Technológia laserovej aditívnej výroby (AM) s výhodami vysokej presnosti výroby, vysokej flexibility a vysokého stupňa automatizácie sa široko používa pri výrobe kľúčových komponentov v oblastiach ako automobilový priemysel, medicína, letecký priemysel atď. (ako sú napríklad trysky raketového paliva, držiaky satelitných antén, ľudské implantáty atď.). Táto technológia môže výrazne zlepšiť kombinovaný výkon tlačených dielov prostredníctvom integrovanej výroby materiálovej štruktúry a výkonu. V súčasnosti technológia laserovej aditívnej výroby vo všeobecnosti využíva zaostrený Gaussov lúč s vysokým rozložením energie v strede a nízkym rozložením energie na okraji. Často však generuje vysoké tepelné gradienty v tavenine, čo vedie k následnej tvorbe pórov a hrubých zŕn. Technológia tvarovania lúča je novou metódou na riešenie tohto problému, ktorá zlepšuje efektivitu a kvalitu tlače úpravou rozloženia energie laserového lúča.
V porovnaní s tradičnou subtrakciou a ekvivalentnou výrobou má technológia aditívnej výroby kovov výhody, ako je krátky výrobný cyklus, vysoká presnosť spracovania, vysoká miera využitia materiálu a dobrý celkový výkon súčiastok. Preto sa technológia aditívnej výroby kovov široko používa v odvetviach, ako je letecký a kozmický priemysel, zbrane a vybavenie, jadrová energia, biofarmaceutiká a automobily. Na základe princípu diskrétneho stohovania využíva aditívna výroba kovov zdroj energie (ako je laser, oblúk alebo elektrónový lúč) na roztavenie prášku alebo drôtu a následné ich stohovanie vrstvu po vrstve na výrobu cieľového komponentu. Táto technológia má významné výhody pri výrobe malých dávok, zložitých štruktúr alebo personalizovaných súčiastok. Materiály, ktoré sa nedajú alebo sú ťažko spracovateľné tradičnými technikami, sú tiež vhodné na prípravu pomocou metód aditívnej výroby. Vďaka vyššie uvedeným výhodám pritiahla technológia aditívnej výroby širokú pozornosť vedcov na domácej aj medzinárodnej úrovni. V posledných desaťročiach zaznamenala technológia aditívnej výroby rýchly pokrok. Vďaka automatizácii a flexibilite zariadení na laserovú aditívnu výrobu, ako aj komplexným výhodám vysokej hustoty laserovej energie a vysokej presnosti spracovania sa technológia laserovej aditívnej výroby rozvíjala najrýchlejšie spomedzi troch vyššie uvedených technológií aditívnej výroby kovov.
Technológia aditívnej výroby kovov laserom sa ďalej delí na LPBF a DED. Obrázok 1 znázorňuje typickú schematickú schému procesov LPBF a DED. Proces LPBF, známy aj ako selektívne laserové tavenie (SLM), umožňuje vyrábať zložité kovové komponenty skenovaním vysokoenergetických laserových lúčov pozdĺž pevnej dráhy na povrchu práškového lôžka. Prášok sa potom roztaví a stuhne vrstvu po vrstve. Proces DED zahŕňa hlavne dva tlačiarenské procesy: nanášanie laserovým tavením a aditívnu výrobu s podávaním laserového drôtu. Obe tieto technológie umožňujú priamo vyrábať a opravovať kovové diely synchrónnym podávaním kovového prášku alebo drôtu. V porovnaní s LPBF má DED vyššiu produktivitu a väčšiu výrobnú plochu. Okrem toho táto metóda umožňuje pohodlne pripravovať aj kompozitné materiály a funkčne triedené materiály. Kvalita povrchu dielov vytlačených metódou DED je však vždy nízka a na zlepšenie rozmerovej presnosti cieľového komponentu je potrebné následné spracovanie.
V súčasnom procese laserovej aditívnej výroby je zdrojom energie zvyčajne zaostrený Gaussov lúč. Avšak kvôli jeho jedinečnému rozloženiu energie (vysoký stred, nízky okraj) je pravdepodobné, že spôsobí vysoké tepelné gradienty a nestabilitu taveniny. Výsledkom je nízka kvalita tvarovania tlačených dielov. Okrem toho, ak je stredová teplota taveniny príliš vysoká, spôsobí to odparovanie kovových prvkov s nízkou teplotou topenia, čo ďalej zhoršuje nestabilitu procesu LBPF. Preto sa so zvyšujúcou sa pórovitosťou výrazne znižujú mechanické vlastnosti a únavová životnosť tlačených dielov. Nerovnomerné rozloženie energie Gaussovských lúčov vedie aj k nízkej účinnosti využitia laserovej energie a nadmernému plytvaniu energiou. Aby sa dosiahla lepšia kvalita tlače, vedci začali skúmať kompenzáciu defektov Gaussovských lúčov úpravou procesných parametrov, ako je výkon laseru, rýchlosť skenovania, hrúbka práškovej vrstvy a stratégia skenovania, s cieľom kontrolovať možnosť vstupu energie. Vzhľadom na veľmi úzke okno spracovania tejto metódy obmedzujú pevné fyzikálne obmedzenia možnosť ďalšej optimalizácie. Napríklad zvýšenie výkonu laseru a rýchlosti skenovania môže dosiahnuť vysokú efektivitu výroby, ale často prichádza 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 aditívnej výroby laserom. Technológia tvarovania lúča sa vo všeobecnosti vzťahuje na úpravu rozloženia vlnoplochy vstupného lúča, aby sa dosiahli požadované charakteristiky rozloženia intenzity a šírenia. Aplikácia technológie tvarovania lúča v technológii aditívnej výroby kovov je znázornená na obrázku 2.
Aplikácia technológie tvarovania lúča v laserovej aditívnej výrobe
Nedostatky tradičnej tlače Gaussovým lúčom
V technológii aditívnej výroby kovov laserom má rozloženie energie laserového lúča významný vplyv na kvalitu tlačených dielov. Hoci sa Gaussove lúče široko používajú v zariadeniach na aditívnu výrobu kovov laserom, trpia vážnymi nevýhodami, ako je nestabilná kvalita tlače, nízke využitie energie a úzke procesné okná v procese aditívnej výroby. Medzi ne patrí proces tavenia prášku a dynamika roztaveného kúpeľa počas procesu aditívnej výroby kovom laserom, ktoré úzko súvisia s hrúbkou vrstvy prášku. V dôsledku prítomnosti zón rozstrekovania a erózie prášku je skutočná hrúbka vrstvy prášku vyššia ako teoretické očakávanie. Po druhé, stĺpec pary spôsobil hlavné spätné rozstreky. Kovová para naráža na zadnú stenu a vytvára rozstreky, ktoré sú rozstrekované 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 vrstiev prášku. Okrem toho, tvorba kľúčových dierok v taveninovom kúpeli tiež vážne ovplyvňuje kvalitu tlačených dielov. Vnútorné póry tlačeného dielu sú spôsobené najmä nestabilnými zaisťovacími otvormi.
Mechanizmus vzniku defektov v technológii tvarovania lúča
Technológia tvarovania lúča dokáže dosiahnuť zlepšenie výkonu vo viacerých rozmeroch súčasne, čo sa líši od gaussovských lúčov, ktoré zlepšujú výkon v jednom rozmere za cenu obetovania iných rozmerov. Technológia tvarovania lúča dokáže presne upraviť rozloženie teploty a charakteristiky prúdenia taveniny. Riadením rozloženia laserovej energie sa získa relatívne stabilná tavenina s malým teplotným gradientom. Vhodné rozloženie laserovej energie je prospešné pre potlačenie pórovitosti a defektov rozprašovania a pre zlepšenie kvality laserovej tlače na kovové diely. Môže dosiahnuť rôzne zlepšenia v efektivite výroby a využití prášku. Zároveň nám technológia tvarovania lúča poskytuje viacero stratégií spracovania, čo výrazne oslobodzuje slobodu pri navrhovaní procesov, čo predstavuje revolučný pokrok v technológii laserovej aditívnej výroby.
Čas uverejnenia: 28. februára 2024
