Тэхналогія лазернай адытыўнай вытворчасці (AM) з яе перавагамі ў высокай дакладнасці вытворчасці, высокай гнуткасці і высокай ступені аўтаматызацыі шырока выкарыстоўваецца ў вытворчасці ключавых кампанентаў у такіх галінах, як аўтамабільная, медыцынская, аэракасмічная і г. д. (напрыклад, ракетабудаванне паліўныя фарсункі, кранштэйны спадарожнікавых антэн, чалавечыя імплантаты і г.д.). Гэтая тэхналогія можа значна палепшыць прадукцыйнасць камбінацыі друкаваных дэталяў за кошт інтэграванай вытворчасці структуры матэрыялу і прадукцыйнасці. У цяперашні час тэхналогія лазернай адытыўнай вытворчасці звычайна выкарыстоўвае сфакусаваны прамень Гаўса з высокім цэнтрам і нізкім размеркаваннем энергіі па краях. Аднак ён часта стварае высокія цеплавыя градыенты ў расплаве, што прыводзіць да наступнага адукацыі пор і грубых зерняў. Тэхналогія фарміравання прамяня - гэта новы метад вырашэння гэтай праблемы, які паляпшае эфектыўнасць і якасць друку шляхам рэгулявання размеркавання энергіі лазернага прамяня.
У параўнанні з традыцыйнай субтракцыяй і эквівалентнай вытворчасцю, тэхналогія вытворчасці металічных дабавак мае такія перавагі, як кароткі час вытворчага цыклу, высокая дакладнасць апрацоўкі, высокі ўзровень выкарыстання матэрыялу і добрая агульная прадукцыйнасць дэталяў. Такім чынам, тэхналогія вытворчасці металічных дабавак шырока выкарыстоўваецца ў такіх галінах, як аэракасмічная прамысловасць, узбраенне і абсталяванне, атамная энергетыка, біяфармацэўтыка і аўтамабільная прамысловасць. Заснаваная на прынцыпе дыскрэтнай кладкі, вытворчасць металічных дабавак выкарыстоўвае крыніцу энергіі (напрыклад, лазер, дугу або электронны прамень) для расплаўлення парашка або дроту, а затым укладвае іх пласт за пластом для вытворчасці мэтавага кампанента. Гэтая тэхналогія мае значныя перавагі ў вытворчасці невялікіх партый, складаных канструкцый або персаналізаваных дэталяў. Матэрыялы, якія немагчыма або складана апрацаваць традыцыйнымі метадамі, таксама падыходзяць для падрыхтоўкі з дапамогай адытыўных метадаў вытворчасці. Дзякуючы вышэйзгаданым перавагам, тэхналогія адытыўнай вытворчасці прыцягнула шырокую ўвагу навукоўцаў як у краіне, так і за мяжой. За апошнія некалькі дзесяцігоддзяў тэхналогія адытыўнай вытворчасці дасягнула хуткага прагрэсу. Дзякуючы аўтаматызацыі і гнуткасці абсталявання для вытворчасці лазерных дабавак, а таксама шырокім перавагам высокай шчыльнасці энергіі лазера і высокай дакладнасці апрацоўкі, тэхналогія вытворчасці лазерных дабавак распрацавала найбольшую хуткасць сярод трох згаданых вышэй тэхналогій вытворчасці металаў.
Тэхналогію лазернай вытворчасці металічных дабавак можна падзяліць на LPBF і DED. На малюнку 1 паказана тыповая прынцыповая схема працэсаў LPBF і DED. Працэс LPBF, таксама вядомы як селектыўнае лазернае плаўленне (SLM), дазваляе вырабляць складаныя металічныя кампаненты шляхам сканіравання лазерных прамянёў высокай энергіі па фіксаванай траекторыі на паверхні парашковага пласта. Затым парашок пласт за пластом плавіцца і застывае. Працэс DED у асноўным уключае два працэсы друку: лазернае нанясенне з плаўлення і вытворчасць дадаткаў для лазернай падачы дроту. Абедзве гэтыя тэхналогіі могуць непасрэдна вырабляць і рамантаваць металічныя дэталі шляхам сінхроннай падачы металічнага парашка або дроту. У параўнанні з LPBF, DED мае больш высокую прадукцыйнасць і большую вытворчую плошчу. Акрамя таго, гэты метад можа таксама зручна рыхтаваць кампазітныя матэрыялы і матэрыялы з функцыянальнай класіфікацыяй. Аднак якасць паверхні дэталяў, надрукаваных DED, заўсёды дрэнная, і наступная апрацоўка неабходная для павышэння дакладнасці памераў мэтавага кампанента.
У цяперашнім працэсе вытворчасці лазерных дабавак сфакусаваны прамень Гаўса звычайна з'яўляецца крыніцай энергіі. Аднак з-за яго унікальнага размеркавання энергіі (высокі цэнтр, нізкі край) ён, верагодна, выклікае высокія цеплавыя градыенты і нестабільнасць басейна расплаву. Прыводзячы да дрэннай якасці фармоўкі надрукаваных дэталяў. Акрамя таго, калі цэнтральная тэмпература расплаўленага басейна занадта высокая, гэта прывядзе да выпарэння металічных элементаў з нізкай тэмпературай плаўлення, што яшчэ больш пагоршыць нестабільнасць працэсу LBPF. Такім чынам, з павелічэннем сітаватасці механічныя ўласцівасці і даўгавечнасць друкаваных дэталяў значна зніжаюцца. Нераўнамернае размеркаванне энергіі пучкоў Гаўса таксама прыводзіць да нізкай эфектыўнасці выкарыстання лазернай энергіі і празмерных трат энергіі. Каб дасягнуць лепшай якасці друку, навукоўцы пачалі даследаваць магчымасць кампенсацыі дэфектаў пучкоў Гаўса шляхам змены такіх параметраў працэсу, як магутнасць лазера, хуткасць сканавання, таўшчыня пласта парашка і стратэгія сканавання, каб кантраляваць магчымасць уводу энергіі. З-за вельмі вузкага акна апрацоўкі гэтага метаду фіксаваныя фізічныя абмежаванні абмяжоўваюць магчымасць далейшай аптымізацыі. Напрыклад, павелічэнне магутнасці лазера і хуткасці сканіравання дазваляе дасягнуць высокай эфектыўнасці вытворчасці, але часта адбываецца за кошт пагаршэння якасці друку. У апошнія гады змяненне размеркавання лазернай энергіі з дапамогай стратэгій фарміравання прамяня можа значна павысіць эфектыўнасць вытворчасці і якасць друку, што можа стаць напрамкам будучага развіцця лазернай адытыўнай тэхналогіі вытворчасці. Тэхналогія фарміравання прамяня звычайна адносіцца да рэгулявання размеркавання хвалевага фронту ўваходнага прамяня для атрымання патрэбнага размеркавання інтэнсіўнасці і характарыстык распаўсюджвання. Прымяненне тэхналогіі фарміравання пучка ў тэхналогіі вытворчасці металаў з дадаткамі паказана на малюнку 2.
Прымяненне тэхналогіі фарміравання прамяня ў лазернай адытыўнай вытворчасці
Недахопы традыцыйнага друку з прамянём Гаўса
У тэхналогіі вытворчасці металічных лазерных дабавак размеркаванне энергіі лазернага прамяня аказвае істотны ўплыў на якасць друкаваных дэталяў. Хаця прамяні Гаўса шырока выкарыстоўваюцца ў абсталяванні для вытворчасці металічных лазераў з дадаткамі, яны пакутуюць ад сур'ёзных недахопаў, такіх як няўстойлівая якасць друку, нізкае выкарыстанне энергіі і вузкія тэхналагічныя вокны ў працэсе адытыўнай вытворчасці. Сярод іх працэс плаўлення парашка і дынаміка расплаўленай ванны падчас працэсу лазернай дабаўкі металу цесна звязаны з таўшчынёй пласта парашка. З-за наяўнасці пырскаў парашка і зон эрозіі фактычная таўшчыня парашковага пласта вышэй, чым тэарэтычна чаканая. Па-другое, слуп пара выклікаў асноўныя воплескі зваротнай бруі. Пара металу сутыкаецца з задняй сценкай, утвараючы пырскі, якія распыляюцца ўздоўж пярэдняй сценкі перпендыкулярна ўвагнутай вобласці расплаўленай ванны (як паказана на малюнку 3). З-за складанага ўзаемадзеяння паміж лазерным прамянём і пырскамі, выкінутыя пырскі могуць сур'ёзна паўплываць на якасць друку наступных слаёў парашка. Акрамя таго, утварэнне замочных шчылін у басейне расплаву таксама сур'ёзна ўплывае на якасць надрукаваных дэталяў. Унутраныя пары надрукаванай дэталі ў асноўным выкліканы няўстойлівымі замкавымі адтулінамі.
Механізм утварэння дэфектаў у тэхналогіі фарміравання пучка
Тэхналогія фармавання прамяня можа дасягнуць павышэння прадукцыйнасці ў некалькіх вымярэннях адначасова, што адрозніваецца ад прамянёў Гаўса, якія паляпшаюць прадукцыйнасць у адным вымярэнні за кошт страты іншых вымярэнняў. Тэхналогія фарміравання пучка можа дакладна рэгуляваць размеркаванне тэмпературы і характарыстыкі патоку ванны расплаву. Кантралюючы размеркаванне лазернай энергіі, атрымліваецца адносна стабільная расплаўленая ванна з невялікім градыентам тэмпературы. Адпаведнае размеркаванне энергіі лазера спрыяе падаўленню сітаватасці і дэфектаў распылення, а таксама паляпшэнню якасці лазернага друку на металічных частках. Гэта можа дасягнуць розных паляпшэнняў у эфектыўнасці вытворчасці і выкарыстання парашка. У той жа час тэхналогія фарміравання прамяня дае нам больш стратэгій апрацоўкі, значна вызваляючы свабоду праектавання працэсу, што з'яўляецца рэвалюцыйным прагрэсам у тэхналогіі лазернай адытыўнай вытворчасці.
Час публікацыі: 28 лютага 2024 г
