Η τεχνολογία κατασκευής προσθέτων λέιζερ (AM), με τα πλεονεκτήματά της για υψηλή ακρίβεια κατασκευής, ισχυρή ευελιξία και υψηλό βαθμό αυτοματισμού, χρησιμοποιείται ευρέως στην κατασκευή βασικών εξαρτημάτων σε τομείς όπως η αυτοκινητοβιομηχανία, η ιατρική, η αεροδιαστημική κ.λπ. (όπως πύραυλοι ακροφύσια καυσίμου, βραχίονες δορυφορικής κεραίας, ανθρώπινα εμφυτεύματα κ.λπ.). Αυτή η τεχνολογία μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την απόδοση συνδυασμού των τυπωμένων εξαρτημάτων μέσω της ολοκληρωμένης κατασκευής δομής και απόδοσης υλικού. Προς το παρόν, η τεχνολογία κατασκευής προσθέτων λέιζερ υιοθετεί γενικά μια εστιασμένη δέσμη Gauss με κατανομή ενέργειας υψηλό κέντρο και χαμηλή ακμή. Ωστόσο, συχνά δημιουργεί υψηλές θερμικές διαβαθμίσεις στο τήγμα, οδηγώντας στον επακόλουθο σχηματισμό πόρων και χονδροειδών κόκκων. Η τεχνολογία διαμόρφωσης δέσμης είναι μια νέα μέθοδος για την επίλυση αυτού του προβλήματος, η οποία βελτιώνει την απόδοση και την ποιότητα εκτύπωσης προσαρμόζοντας την κατανομή της ενέργειας δέσμης λέιζερ.
Σε σύγκριση με την παραδοσιακή αφαίρεση και την ισοδύναμη κατασκευή, η τεχνολογία κατασκευής πρόσθετων μετάλλων έχει πλεονεκτήματα όπως σύντομο χρόνο κύκλου κατασκευής, υψηλή ακρίβεια επεξεργασίας, υψηλό ποσοστό χρήσης υλικού και καλή συνολική απόδοση των εξαρτημάτων. Ως εκ τούτου, η τεχνολογία κατασκευής πρόσθετων μετάλλων χρησιμοποιείται ευρέως σε βιομηχανίες όπως η αεροδιαστημική, τα όπλα και ο εξοπλισμός, η πυρηνική ενέργεια, τα βιοφαρμακευτικά προϊόντα και τα αυτοκίνητα. Με βάση την αρχή της διακριτής στοίβαξης, η κατασκευή πρόσθετων μετάλλων χρησιμοποιεί μια πηγή ενέργειας (όπως λέιζερ, τόξο ή δέσμη ηλεκτρονίων) για να λιώσει τη σκόνη ή το σύρμα και στη συνέχεια τα στοιβάζει στρώμα-στρώμα για την κατασκευή του συστατικού στόχου. Αυτή η τεχνολογία έχει σημαντικά πλεονεκτήματα στην παραγωγή μικρών παρτίδων, πολύπλοκων δομών ή εξατομικευμένων εξαρτημάτων. Υλικά που δεν μπορούν ή είναι δύσκολο να υποστούν επεξεργασία χρησιμοποιώντας παραδοσιακές τεχνικές είναι επίσης κατάλληλα για παρασκευή με χρήση μεθόδων παραγωγής πρόσθετων. Λόγω των παραπάνω πλεονεκτημάτων, η τεχνολογία κατασκευής προσθέτων έχει προσελκύσει την ευρεία προσοχή των μελετητών τόσο στο εσωτερικό όσο και στο διεθνές. Τις τελευταίες δεκαετίες, η τεχνολογία κατασκευής προσθέτων έχει σημειώσει ταχεία πρόοδο. Λόγω του αυτοματισμού και της ευελιξίας του εξοπλισμού κατασκευής προσθέτων λέιζερ, καθώς και των περιεκτικών πλεονεκτημάτων της υψηλής ενεργειακής πυκνότητας λέιζερ και της υψηλής ακρίβειας επεξεργασίας, η τεχνολογία κατασκευής προσθέτων λέιζερ έχει αναπτύξει την ταχύτερη από τις τρεις τεχνολογίες κατασκευής πρόσθετων μετάλλων που αναφέρονται παραπάνω.
Η τεχνολογία κατασκευής πρόσθετων μετάλλων λέιζερ μπορεί να χωριστεί περαιτέρω σε LPBF και DED. Το σχήμα 1 δείχνει ένα τυπικό σχηματικό διάγραμμα των διαδικασιών LPBF και DED. Η διαδικασία LPBF, γνωστή και ως Selective Laser Melting (SLM), μπορεί να κατασκευάσει σύνθετα μεταλλικά εξαρτήματα σαρώνοντας δέσμες λέιζερ υψηλής ενέργειας κατά μήκος μιας σταθερής διαδρομής στην επιφάνεια μιας κλίνης σκόνης. Στη συνέχεια, η σκόνη λιώνει και στερεοποιείται στρώμα-στρώμα. Η διαδικασία DED περιλαμβάνει κυρίως δύο διαδικασίες εκτύπωσης: εναπόθεση τήξης με λέιζερ και παραγωγή πρόσθετων τροφοδοσίας σύρματος λέιζερ. Και οι δύο αυτές τεχνολογίες μπορούν να κατασκευάσουν και να επισκευάσουν άμεσα μεταλλικά μέρη με σύγχρονη τροφοδοσία μεταλλικής σκόνης ή σύρματος. Σε σύγκριση με το LPBF, η DED έχει υψηλότερη παραγωγικότητα και μεγαλύτερη περιοχή παραγωγής. Επιπλέον, αυτή η μέθοδος μπορεί επίσης να παρασκευάσει εύκολα σύνθετα υλικά και λειτουργικά διαβαθμισμένα υλικά. Ωστόσο, η ποιότητα της επιφάνειας των εξαρτημάτων που εκτυπώνονται από την DED είναι πάντα κακή και απαιτείται μεταγενέστερη επεξεργασία για τη βελτίωση της ακρίβειας διαστάσεων του εξαρτήματος στόχου.
Στην τρέχουσα διαδικασία κατασκευής προσθέτων λέιζερ, η εστιασμένη δέσμη Gauss είναι συνήθως η πηγή ενέργειας. Ωστόσο, λόγω της μοναδικής κατανομής ενέργειας (υψηλό κέντρο, χαμηλό άκρο), είναι πιθανό να προκαλέσει υψηλές θερμικές κλίσεις και αστάθεια της δεξαμενής τήξης. Με αποτέλεσμα την κακή ποιότητα διαμόρφωσης των τυπωμένων εξαρτημάτων. Επιπλέον, εάν η κεντρική θερμοκρασία της λιωμένης δεξαμενής είναι πολύ υψηλή, θα προκαλέσει την εξάτμιση των μεταλλικών στοιχείων χαμηλού σημείου τήξης, επιδεινώνοντας περαιτέρω την αστάθεια της διαδικασίας LBPF. Επομένως, με την αύξηση του πορώδους, οι μηχανικές ιδιότητες και η διάρκεια κόπωσης των τυπωμένων εξαρτημάτων μειώνονται σημαντικά. Η άνιση κατανομή ενέργειας των ακτίνων Gauss οδηγεί επίσης σε χαμηλή αποδοτικότητα χρήσης ενέργειας λέιζερ και υπερβολική σπατάλη ενέργειας. Προκειμένου να επιτευχθεί καλύτερη ποιότητα εκτύπωσης, οι μελετητές έχουν αρχίσει να διερευνούν την αντιστάθμιση των ελαττωμάτων των ακτίνων Gauss τροποποιώντας παραμέτρους διαδικασίας όπως η ισχύς λέιζερ, η ταχύτητα σάρωσης, το πάχος του στρώματος σκόνης και η στρατηγική σάρωσης, προκειμένου να ελέγξουν τη δυνατότητα εισαγωγής ενέργειας. Λόγω του πολύ στενού παραθύρου επεξεργασίας αυτής της μεθόδου, οι σταθεροί φυσικοί περιορισμοί περιορίζουν τη δυνατότητα περαιτέρω βελτιστοποίησης. Για παράδειγμα, η αύξηση της ισχύος λέιζερ και της ταχύτητας σάρωσης μπορεί να επιτύχει υψηλή απόδοση κατασκευής, αλλά συχνά έχει το κόστος της θυσίας της ποιότητας εκτύπωσης. Τα τελευταία χρόνια, η αλλαγή της κατανομής ενέργειας λέιζερ μέσω στρατηγικών διαμόρφωσης δέσμης μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την απόδοση κατασκευής και την ποιότητα εκτύπωσης, η οποία μπορεί να γίνει η μελλοντική κατεύθυνση ανάπτυξης της τεχνολογίας κατασκευής προσθέτων λέιζερ. Η τεχνολογία διαμόρφωσης δέσμης αναφέρεται γενικά στην προσαρμογή της κατανομής μετώπου κύματος της δέσμης εισόδου για να ληφθούν τα επιθυμητά χαρακτηριστικά κατανομής έντασης και διάδοσης. Η εφαρμογή της τεχνολογίας διαμόρφωσης δοκού στην τεχνολογία κατασκευής πρόσθετων μετάλλων φαίνεται στο Σχήμα 2.
Εφαρμογή της τεχνολογίας διαμόρφωσης δέσμης στην κατασκευή προσθέτων λέιζερ
Τα μειονεκτήματα της παραδοσιακής εκτύπωσης με δοκό Gauss
Στην τεχνολογία κατασκευής πρόσθετων λέιζερ μετάλλων, η κατανομή ενέργειας της δέσμης λέιζερ έχει σημαντικό αντίκτυπο στην ποιότητα των τυπωμένων εξαρτημάτων. Αν και οι ακτίνες Gaussian έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως στον εξοπλισμό κατασκευής πρόσθετων λέιζερ μετάλλων, παρουσιάζουν σοβαρά μειονεκτήματα όπως ασταθής ποιότητα εκτύπωσης, χαμηλή χρήση ενέργειας και στενά παράθυρα διεργασίας στη διαδικασία κατασκευής προσθέτων. Μεταξύ αυτών, η διαδικασία τήξης της σκόνης και η δυναμική της λιωμένης δεξαμενής κατά τη διαδικασία πρόσθετου μεταλλικού λέιζερ σχετίζονται στενά με το πάχος του στρώματος σκόνης. Λόγω της παρουσίας ζωνών εκτόξευσης σκόνης και διάβρωσης, το πραγματικό πάχος του στρώματος σκόνης είναι υψηλότερο από τη θεωρητική προσδοκία. Δεύτερον, η στήλη ατμού προκάλεσε τις κύριες πιτσιλιές πίδακα προς τα πίσω. Ο μεταλλικός ατμός συγκρούεται με το πίσω τοίχωμα για να σχηματίσει πιτσιλιές, οι οποίες ψεκάζονται κατά μήκος του μπροστινού τοιχώματος κάθετα στην κοίλη περιοχή της λιωμένης λίμνης (όπως φαίνεται στο σχήμα 3). Λόγω της πολύπλοκης αλληλεπίδρασης μεταξύ της δέσμης λέιζερ και των πιτσιλιών, οι εκτοξευόμενες πιτσιλιές μπορούν να επηρεάσουν σοβαρά την ποιότητα εκτύπωσης των επόμενων στρωμάτων σκόνης. Επιπλέον, ο σχηματισμός κλειδαρότρυπων στη δεξαμενή τήγματος επηρεάζει επίσης σοβαρά την ποιότητα των τυπωμένων εξαρτημάτων. Οι εσωτερικοί πόροι του τυπωμένου τεμαχίου προκαλούνται κυρίως από ασταθείς οπές ασφάλισης.
Ο μηχανισμός σχηματισμού ελαττωμάτων στην τεχνολογία διαμόρφωσης δέσμης
Η τεχνολογία διαμόρφωσης δέσμης μπορεί να επιτύχει βελτίωση της απόδοσης σε πολλαπλές διαστάσεις ταυτόχρονα, κάτι που διαφέρει από τις δοκούς Gauss που βελτιώνουν την απόδοση σε μία διάσταση με κόστος θυσίας άλλων διαστάσεων. Η τεχνολογία διαμόρφωσης δέσμης μπορεί να ρυθμίσει με ακρίβεια την κατανομή θερμοκρασίας και τα χαρακτηριστικά ροής της πισίνας τήγματος. Με τον έλεγχο της κατανομής της ενέργειας λέιζερ, επιτυγχάνεται μια σχετικά σταθερή λιωμένη δεξαμενή με μικρή κλίση θερμοκρασίας. Η κατάλληλη κατανομή ενέργειας λέιζερ είναι επωφελής για την εξάλειψη του πορώδους και των ελαττωμάτων εκτόξευσης και για τη βελτίωση της ποιότητας της εκτύπωσης με λέιζερ σε μεταλλικά μέρη. Μπορεί να επιτύχει διάφορες βελτιώσεις στην αποδοτικότητα της παραγωγής και στη χρήση σκόνης. Ταυτόχρονα, η τεχνολογία διαμόρφωσης δέσμης μας παρέχει περισσότερες στρατηγικές επεξεργασίας, απελευθερώνοντας σε μεγάλο βαθμό την ελευθερία σχεδιασμού διεργασιών, η οποία αποτελεί επαναστατική πρόοδο στην τεχνολογία κατασκευής προσθέτων λέιζερ.
Ώρα ανάρτησης: Φεβ-28-2024
