Η τεχνολογία προσθετικής κατασκευής με λέιζερ (AM), με τα πλεονεκτήματά της όπως η υψηλή ακρίβεια κατασκευής, η ισχυρή ευελιξία και ο υψηλός βαθμός αυτοματισμού, χρησιμοποιείται ευρέως στην κατασκευή βασικών εξαρτημάτων σε τομείς όπως η αυτοκινητοβιομηχανία, η ιατρική, η αεροδιαστημική κ.λπ. (όπως ακροφύσια καυσίμου πυραύλων, βάσεις κεραιών δορυφόρου, ανθρώπινα εμφυτεύματα κ.λπ.). Αυτή η τεχνολογία μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την συνδυαστική απόδοση των τυπωμένων εξαρτημάτων μέσω της ολοκληρωμένης κατασκευής της δομής και της απόδοσης του υλικού. Προς το παρόν, η τεχνολογία προσθετικής κατασκευής με λέιζερ υιοθετεί γενικά μια εστιασμένη δέσμη Gauss με υψηλή κατανομή ενέργειας στο 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 της εκτύπωσης ρυθμίζοντας την κατανομή της ενέργειας της δέσμης λέιζερ.
Σε σύγκριση με την παραδοσιακή αφαίρεση και την ισοδύναμη κατασκευή, η τεχνολογία κατασκευής προσθέτων μετάλλων έχει πλεονεκτήματα όπως ο σύντομος χρόνος κύκλου κατασκευής, η υψηλή ακρίβεια επεξεργασίας, ο υψηλός ρυθμός αξιοποίησης υλικών και η καλή συνολική απόδοση των εξαρτημάτων. Επομένως, η τεχνολογία κατασκευής προσθέτων 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 προσθέτων 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 προς στρώμα για να κατασκευάσει το εξάρτημα-στόχο. Αυτή η τεχνολογία έχει σημαντικά πλεονεκτήματα στην παραγωγή μικρών παρτίδων, σύνθετων δομών ή εξατομικευμένων εξαρτημάτων. Υλικά που δεν μπορούν ή είναι δύσκολο να υποστούν επεξεργασία με παραδοσιακές τεχνικές είναι επίσης κατάλληλα για παρασκευή με μεθόδους κατασκευής προσθέτων. Λόγω των παραπάνω πλεονεκτημάτων, η τεχνολογία κατασκευής προσθέτων έχει προσελκύσει ευρεία προσοχή από τους μελετητές τόσο στην εγχώρια όσο και στη διεθνή αγορά. Τις τελευταίες δεκαετίες, η τεχνολογία κατασκευής προσθέτων έχει σημειώσει ραγδαία πρόοδο. Λόγω του αυτοματισμού και της ευελιξίας του εξοπλισμού κατασκευής προσθέτων λέιζερ, καθώς και των ολοκληρωμένων πλεονεκτημάτων της υψηλής πυκνότητας ενέργειας λέιζερ και της υψηλής ακρίβειας επεξεργασίας, η τεχνολογία κατασκευής προσθέτων λέιζερ έχει αναπτυχθεί ταχύτερα από τις τρεις τεχνολογίες κατασκευής προσθέτων μετάλλων που αναφέρθηκαν παραπάνω.
Η τεχνολογία κατασκευής μετάλλων με πρόσθετα 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 Επιλεκτική Τήξη με Λέιζερ (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 τήκεται και στερεοποιείται στρώση προς στρώση. Η διαδικασία DED περιλαμβάνει κυρίως δύο διαδικασίες εκτύπωσης: την εναπόθεση με τήξη λέιζερ και την κατασκευή προσθέτων τροφοδοσίας με σύρμα λέιζερ. Και οι δύο αυτές τεχνολογίες μπορούν να κατασκευάσουν και να επισκευάσουν άμεσα μεταλλικά μέρη τροφοδοτώντας ταυτόχρονα μεταλλική σκόνη ή σύρμα. Σε σύγκριση με το LPBF, το 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 με DED είναι πάντα κακή και απαιτείται επακόλουθη επεξεργασία για τη βελτίωση της διαστατικής ακρίβειας του εξαρτήματος-στόχου.
Στην τρέχουσα διαδικασία προσθετικής κατασκευής 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 διαβαθμίσεις και αστάθεια της δεξαμενής τήξης. Με αποτέλεσμα την κακή ποιότητα διαμόρφωσης των τυπωμένων εξαρτημάτων. Επιπλέον, εάν η κεντρική θερμοκρασία της δεξαμενής τήξης είναι πολύ υψηλή, θα προκαλέσει την εξάτμιση των μεταλλικών στοιχείων με χαμηλό σημείο τήξης, επιδεινώνοντας περαιτέρω την αστάθεια της διαδικασίας LBPF. Επομένως, με την αύξηση του πορώδους, οι μηχανικές ιδιότητες και η διάρκεια ζωής των τυπωμένων εξαρτημάτων μειώνονται σημαντικά. Η ανομοιόμορφη κατανομή ενέργειας των δεσμών Gauss οδηγεί επίσης σε χαμηλή απόδοση αξιοποίησης ενέργειας λέιζερ και υπερβολική σπατάλη ενέργειας. Προκειμένου να επιτευχθεί καλύτερη ποιότητα εκτύπωσης, οι μελετητές έχουν αρχίσει να διερευνούν την αντιστάθμιση των ελαττωμάτων των δεσμών Gauss τροποποιώντας παραμέτρους της διαδικασίας όπως η ισχύς του λέιζερ, η ταχύτητα σάρωσης, το πάχος του στρώματος σκόνης και η στρατηγική σάρωσης, προκειμένου να ελεγχθεί η πιθανότητα εισόδου ενέργειας. Λόγω του πολύ στενού παραθύρου επεξεργασίας αυτής της μεθόδου, οι σταθεροί φυσικοί περιορισμοί περιορίζουν την πιθανότητα περαιτέρω βελτιστοποίησης. Για παράδειγμα, η αύξηση της ισχύος λέιζερ και της ταχύτητας σάρωσης μπορεί να επιτύχει υψηλή απόδοση κατασκευής, αλλά συχνά έχει το κόστος να θυσιάσει την ποιότητα εκτύπωσης. Τα τελευταία χρόνια, η αλλαγή της κατανομής ενέργειας του λέιζερ μέσω στρατηγικών διαμόρφωσης δέσμης μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την απόδοση κατασκευής και την ποιότητα εκτύπωσης, κάτι που μπορεί να γίνει η μελλοντική κατεύθυνση ανάπτυξης της τεχνολογίας προσθετικής κατασκευής λέιζερ. Η τεχνολογία διαμόρφωσης δέσμης αναφέρεται γενικά στην προσαρμογή της κατανομής μετώπου κύματος της δέσμης εισόδου για την επίτευξη της επιθυμητής κατανομής έντασης και των χαρακτηριστικών διάδοσης. Η εφαρμογή της τεχνολογίας διαμόρφωσης δέσμης στην τεχνολογία προσθετικής κατασκευής μετάλλων φαίνεται στο Σχήμα 2.
Εφαρμογή της τεχνολογίας διαμόρφωσης δέσμης στην προσθετική κατασκευή με λέιζερ
Τα μειονεκτήματα της παραδοσιακής εκτύπωσης με δέσμη Gauss
Στην τεχνολογία προσθετικής κατασκευής με λέιζερ μετάλλων, η κατανομή ενέργειας της δέσμης λέιζερ έχει σημαντικό αντίκτυπο στην ποιότητα των τυπωμένων εξαρτημάτων. Παρόλο που οι γκαουσιανές δέσμες έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως στον εξοπλισμό προσθετικής κατασκευής με λέιζερ μετάλλων, παρουσιάζουν σοβαρά μειονεκτήματα, όπως ασταθή ποιότητα εκτύπωσης, χαμηλή ενεργειακή αξιοποίηση και στενά παράθυρα διεργασίας στη διαδικασία προσθετικής κατασκευής. Μεταξύ αυτών, η διαδικασία τήξης της σκόνης και η δυναμική της λιωμένης δεξαμενής κατά τη διάρκεια της διαδικασίας προσθετικής κατασκευής με λέιζερ μετάλλων σχετίζονται στενά με το πάχος του στρώματος σκόνης. Λόγω της παρουσίας πιτσιλιών και ζωνών διάβρωσης της σκόνης, το πραγματικό πάχος του στρώματος σκόνης είναι υψηλότερο από τη θεωρητική προσδοκία. Δεύτερον, η στήλη ατμού προκάλεσε τις κύριες πιτσιλιές προς τα πίσω. Οι μεταλλικοί ατμοί συγκρούονται με το πίσω τοίχωμα σχηματίζοντας πιτσιλιές, οι οποίες ψεκάζονται κατά μήκος του μπροστινού τοιχώματος κάθετα προς την κοίλη περιοχή της λιωμένης δεξαμενής (όπως φαίνεται στο Σχήμα 3). Λόγω της πολύπλοκης αλληλεπίδρασης μεταξύ της δέσμης λέιζερ και των πιτσιλιών, οι πιτσιλιές που εκτοξεύονται μπορούν να επηρεάσουν σοβαρά την ποιότητα εκτύπωσης των επόμενων στρωμάτων σκόνης. Επιπλέον, ο σχηματισμός οπών κλειδαριάς στη δεξαμενή τήξης επηρεάζει επίσης σοβαρά την ποιότητα των τυπωμένων εξαρτημάτων. Οι εσωτερικοί πόροι του εκτυπωμένου τεμαχίου προκαλούνται κυρίως από ασταθείς οπές ασφάλισης.
Ο μηχανισμός σχηματισμού ελαττωμάτων στην τεχνολογία διαμόρφωσης δοκών
Η τεχνολογία διαμόρφωσης δέσμης μπορεί να επιτύχει βελτίωση της απόδοσης σε πολλαπλές διαστάσεις ταυτόχρονα, κάτι που διαφέρει από τις γκαουσιανές δέσμες που βελτιώνουν την απόδοση σε μία διάσταση με το κόστος να θυσιάζουν άλλες διαστάσεις. Η τεχνολογία διαμόρφωσης δέσμης μπορεί να ρυθμίσει με ακρίβεια την κατανομή θερμοκρασίας και τα χαρακτηριστικά ροής της δεξαμενής τήξης. Ελέγχοντας την κατανομή της ενέργειας λέιζερ, επιτυγχάνεται μια σχετικά σταθερή δεξαμενή τήξης με μικρή κλίση θερμοκρασίας. Η κατάλληλη κατανομή ενέργειας λέιζερ είναι ευεργετική για την καταστολή των ελαττωμάτων πορώδους και ψεκασμού, και για τη βελτίωση της ποιότητας της εκτύπωσης λέιζερ σε μεταλλικά μέρη. Μπορεί να επιτύχει διάφορες βελτιώσεις στην αποδοτικότητα της παραγωγής και την αξιοποίηση της σκόνης. Ταυτόχρονα, η τεχνολογία διαμόρφωσης δέσμης μας παρέχει περισσότερες στρατηγικές επεξεργασίας, απελευθερώνοντας σε μεγάλο βαθμό την ελευθερία σχεδιασμού της διαδικασίας, η οποία αποτελεί επαναστατική πρόοδο στην τεχνολογία προσθετικής κατασκευής λέιζερ.
Ώρα δημοσίευσης: 28 Φεβρουαρίου 2024
