Тэхналогія лазернага адытыўнага вытворчасці (AM), якая мае перавагі высокай дакладнасці вытворчасці, высокай гнуткасці і высокай ступені аўтаматызацыі, шырока выкарыстоўваецца ў вытворчасці ключавых кампанентаў у такіх галінах, як аўтамабілебудаванне, медыцына, аэракасмічная прамысловасць і г.д. (напрыклад, фарсункі ракетнага паліва, кранштэйны спадарожнікавых антэн, імплантаты чалавека і г.д.). Гэтая тэхналогія можа значна палепшыць камбінаваную прадукцыйнасць друкаваных дэталяў дзякуючы інтэграванай вытворчасці структуры і прадукцыйнасці матэрыялу. У цяперашні час тэхналогія лазернага адытыўнага вытворчасці звычайна выкарыстоўвае сфакусаваны гаўсаўскі прамень з высокім размеркаваннем энергіі ў цэнтры і нізкім размеркаваннем энергіі на краі. Аднак ён часта стварае высокія цеплавыя градыенты ў расплаве, што прыводзіць да наступнага ўтварэння пор і буйных зерняў. Тэхналогія фармавання прамяня - гэта новы метад вырашэння гэтай праблемы, які паляпшае эфектыўнасць і якасць друку шляхам рэгулявання размеркавання энергіі лазернага прамяня.
У параўнанні з традыцыйным аднімацыйным і эквівалентным вытворчасцю, тэхналогія адытыўнай вытворчасці металаў мае такія перавагі, як кароткі вытворчай цыкл, высокая дакладнасць апрацоўкі, высокі каэфіцыент выкарыстання матэрыялу і добрая агульная прадукцыйнасць дэталяў. Такім чынам, тэхналогія адытыўнай вытворчасці металаў шырока выкарыстоўваецца ў такіх галінах, як аэракасмічная прамысловасць, зброя і абсталяванне, атамная энергетыка, біяфармацэўтыка і аўтамабілі. Заснаваная на прынцыпе дыскрэтнага ўкладвання, адытыўная вытворчасць металаў выкарыстоўвае крыніцу энергіі (напрыклад, лазер, дугу або электронны прамень) для плаўлення парашка або дроту, а затым укладвае іх пласт за пластом для вырабу мэтавага кампанента. Гэтая тэхналогія мае значныя перавагі ў вытворчасці невялікіх партый, складаных канструкцый або персаналізаваных дэталяў. Матэрыялы, якія немагчыма або цяжка апрацаваць традыцыйнымі метадамі, таксама падыходзяць для падрыхтоўкі з выкарыстаннем метадаў адытыўнай 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 хутка прагрэсавала. Дзякуючы аўтаматызацыі і гнуткасці абсталявання для лазернага адытыўнага вытворчасці, а таксама комплексным перавагам высокай шчыльнасці лазернай энергіі і высокай дакладнасці апрацоўкі, тэхналогія лазернага адытыўнага вытворчасці развівалася найбольш хутка сярод трох вышэйзгаданых тэхналогій адытыўнай вытворчасці металаў.
Тэхналогію лазернага адытыўнага вырабу металу можна далей падзяліць на LPBF і DED. На малюнку 1 паказана тыповая схема працэсаў LPBF і DED. Працэс LPBF, таксама вядомы як селектыўнае лазернае плаўленне (SLM), дазваляе вырабляць складаныя металічныя кампаненты шляхам сканавання высокаэнергетычных лазерных прамянёў уздоўж фіксаванай траекторыі на паверхні парашковага пласта. Затым парашок плавіцца і застывае пласт за пластом. Працэс DED у асноўным уключае два працэсы друку: лазернае плаўленне і адытыўнае вырабленне з падачай лазернага дроту. Абедзве гэтыя тэхналогіі дазваляюць 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 таксама дазваляе зручна рыхтаваць кампазітныя матэрыялы і функцыянальна градыентныя матэрыялы. Аднак якасць паверхні дэталяў, надрукаваных з дапамогай DED, заўсёды нізкая, і для паляпшэння дакладнасці памераў мэтавага кампанента неабходная наступная апрацоўка.
У сучасным працэсе лазернага адытыўнага вытворчасці крыніцай энергіі звычайна з'яўляецца сфакусаваны гаўсаўскі прамень. Аднак з-за яго ўнікальнага размеркавання энергіі (высокі цэнтр, нізкі край) ён, верагодна, прывядзе да высокіх тэмпературных градыентаў і нестабільнасці ванны расплаву. У выніку якасць друкаваных дэталяў нізкая. Акрамя таго, калі тэмпература ў цэнтры ванны расплаву занадта высокая, гэта прывядзе да выпарэння металічных элементаў з нізкай тэмпературай плаўлення, што яшчэ больш пагоршыць нестабільнасць працэсу LBPF. Такім чынам, са павелічэннем парыстасці значна зніжаюцца механічныя ўласцівасці і тэрмін службы друкаваных дэталяў. Нераўнамернае размеркаванне энергіі гаўсавых прамянёў таксама прыводзіць да нізкай эфектыўнасці выкарыстання лазернай энергіі і празмерных страт энергіі. Каб дасягнуць лепшай якасці друку, навукоўцы пачалі даследаваць кампенсацыю дэфектаў гаўсавых прамянёў шляхам змены такіх параметраў працэсу, як магутнасць лазера, хуткасць сканавання, таўшчыня пласта парашка і стратэгія сканавання, каб кантраляваць магчымасць падачы энергіі. З-за вельмі вузкага акна апрацоўкі гэтага метаду фіксаваныя фізічныя абмежаванні абмяжоўваюць магчымасці далейшай аптымізацыі. Напрыклад, павелічэнне магутнасці лазера і хуткасці сканавання можа дасягнуць высокай эфектыўнасці вытворчасці, але часта адбываецца за кошт страты якасці друку. У апошнія гады змяненне размеркавання лазернай энергіі з дапамогай стратэгій фармавання прамяня можа значна палепшыць эфектыўнасць вытворчасці і якасць друку, што можа стаць будучым напрамкам развіцця тэхналогіі лазернай адытыўнай вытворчасці. Тэхналогія фармавання прамяня звычайна азначае рэгуляванне размеркавання хвалевага фронту ўваходнага прамяня для атрымання патрэбных характарыстык размеркавання інтэнсіўнасці і распаўсюджвання. Прымяненне тэхналогіі фармавання прамяня ў тэхналогіі адытыўнай вытворчасці металу паказана на малюнку 2.
Прымяненне тэхналогіі фармавання прамяня ў лазернай адытыўнай вытворчасці
Недахопы традыцыйнага гаўсаўскага прамянёвага друку
У тэхналогіі адытыўнай вытворчасці металічных лазераў размеркаванне энергіі лазернага прамяня аказвае значны ўплыў на якасць друкаваных дэталяў. Нягледзячы на тое, што гаўсаўскія прамяні шырока выкарыстоўваюцца ў абсталяванні для адытыўнай вытворчасці металічных лазераў, яны маюць сур'ёзныя недахопы, такія як нестабільная якасць друку, нізкае выкарыстанне энергіі і вузкія тэхналагічныя вокны ў працэсе адытыўнай вытворчасці. Сярод іх працэс плаўлення парашка і дынаміка расплаўленай ванны падчас адытыўнай вытворчасці металічных лазераў цесна звязаны з таўшчынёй пласта парашка. З-за наяўнасці зон разбрызгвання парашка і эрозіі фактычная таўшчыня пласта парашка вышэйшая за тэарэтычнае чаканне. Па-другое, слуп пары выклікаў асноўныя зваротныя пырскі струменя. Пар металу сутыкаецца з задняй сценкай, утвараючы пырскі, якія распыляюцца ўздоўж пярэдняй сценкі перпендыкулярна ўвагнутай вобласці ванны расплаўленага раствора (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 свідравін у ванне расплаўленага раствора таксама сур'ёзна ўплывае на якасць друкаваных дэталяў. Унутраныя пары друкаванай дэталі ў асноўным выкліканыя нестабільнымі замыкальнымі адтулінамі.
Механізм утварэння дэфектаў у тэхналогіі фармавання бэлек
Тэхналогія фармавання прамяня можа дасягнуць паляпшэння прадукцыйнасці ў некалькіх вымярэннях адначасова, што адрозніваецца ад гаўсаўскіх прамянёў, якія паляпшаюць прадукцыйнасць у адным вымярэнні коштам ахвяравання іншымі вымярэннямі. Тэхналогія фармавання прамяня можа дакладна рэгуляваць размеркаванне тэмпературы і характарыстыкі патоку ванны расплаву. Кантралюючы размеркаванне лазернай энергіі, атрымліваецца адносна стабільная ванна расплаву з невялікім градыентам тэмпературы. Адпаведнае размеркаванне лазернай энергіі спрыяе падаўленню паравітасці і дэфектаў распылення, а таксама паляпшае якасць лазернага друку на металічных дэталях. Гэта дазваляе дасягнуць розных паляпшэнняў у эфектыўнасці вытворчасці і выкарыстанні парашка. У той жа час тэхналогія фармавання прамяня дае нам больш стратэгій апрацоўкі, значна вызваляючы свабоду праектавання працэсаў, што з'яўляецца рэвалюцыйным прагрэсам у тэхналогіі лазернага адытыўнага вытворчасці.
Час публікацыі: 28 лютага 2024 г.
