Tehnologia de fabricație aditivă cu laser (AM), cu avantajele sale de precizie înaltă a producției, flexibilitate puternică și grad înalt de automatizare, este utilizată pe scară largă în fabricarea de componente cheie în domenii precum auto, medical, aerospațial etc. (cum ar fi rachetele). duze de combustibil, suporturi de antenă satelit, implanturi umane etc.). Această tehnologie poate îmbunătăți considerabil performanța combinației pieselor imprimate prin fabricarea integrată a structurii și performanței materialelor. În prezent, tehnologia de fabricație aditivă cu laser adoptă în general un fascicul gaussian focalizat cu un centru înalt și o distribuție a energiei la margine joasă. Cu toate acestea, generează adesea gradienți termici mari în topitură, ceea ce duce la formarea ulterioară a porilor și a boabelor grosiere. Tehnologia de modelare a fasciculului este o nouă metodă de a rezolva această problemă, care îmbunătățește eficiența și calitatea imprimării prin ajustarea distribuției energiei fasciculului laser.
În comparație cu scăderea tradițională și producția echivalentă, tehnologia de fabricare a aditivilor metalici are avantaje cum ar fi timpul scurt al ciclului de fabricație, precizia ridicată a procesării, rata mare de utilizare a materialului și performanța generală bună a pieselor. Prin urmare, tehnologia de fabricare a aditivilor metalici este utilizată pe scară largă în industrii precum aerospațial, arme și echipamente, energie nucleară, biofarmaceutică și automobile. Pe baza principiului stivuirii discrete, fabricarea aditivelor metalice utilizează o sursă de energie (cum ar fi laserul, arcul sau fasciculul de electroni) pentru a topi pulberea sau sârma și apoi le stivuiește strat cu strat pentru a fabrica componenta țintă. Această tehnologie are avantaje semnificative în producerea de loturi mici, structuri complexe sau piese personalizate. Materialele care nu pot fi sau sunt dificil de prelucrat prin tehnici tradiționale sunt, de asemenea, potrivite pentru prepararea prin metode de fabricație aditivă. Datorită avantajelor de mai sus, tehnologia de fabricație aditivă a atras atenția pe scară largă din partea cercetătorilor atât pe plan intern, cât și internațional. În ultimele câteva decenii, tehnologia de fabricație aditivă a făcut progrese rapide. Datorită automatizării și flexibilității echipamentelor de fabricație aditivă cu laser, precum și avantajelor cuprinzătoare ale densității mari de energie a laserului și preciziei ridicate de procesare, tehnologia de fabricare a aditivilor cu laser s-a dezvoltat cel mai rapid dintre cele trei tehnologii de fabricare a aditivilor metalice menționate mai sus.
Tehnologia de fabricare a aditivilor metalice cu laser poate fi împărțită în continuare în LPBF și DED. Figura 1 prezintă o diagramă schematică tipică a proceselor LPBF și DED. Procesul LPBF, cunoscut și sub denumirea de topire selectivă cu laser (SLM), poate fabrica componente metalice complexe prin scanarea fasciculelor laser de înaltă energie de-a lungul unui traseu fix pe suprafața unui pat de pulbere. Apoi, pulberea se topește și se solidifică strat cu strat. Procesul DED include în principal două procese de imprimare: depunerea prin topire cu laser și fabricarea aditivelor de alimentare cu sârmă cu laser. Ambele tehnologii pot produce direct și repara piese metalice prin alimentarea sincronă cu pulbere sau sârmă de metal. În comparație cu LPBF, DED are o productivitate mai mare și o zonă de producție mai mare. În plus, această metodă poate pregăti în mod convenabil materiale compozite și materiale gradate funcțional. Cu toate acestea, calitatea suprafeței pieselor imprimate prin DED este întotdeauna slabă și este necesară o prelucrare ulterioară pentru a îmbunătăți acuratețea dimensională a componentei țintă.
În procesul actual de fabricație aditivă cu laser, fasciculul Gaussian focalizat este de obicei sursa de energie. Cu toate acestea, datorită distribuției sale unice de energie (centru înalt, margine joasă), este probabil să provoace gradienți termici mari și instabilitate a bazinului de topire. Rezultă o calitate slabă a modelării pieselor imprimate. În plus, dacă temperatura centrală a bazinului de topire este prea ridicată, aceasta va determina vaporizarea elementelor metalice cu punct de topire scăzut, exacerbând și mai mult instabilitatea procesului LBPF. Prin urmare, odată cu creșterea porozității, proprietățile mecanice și durata de viață la oboseală a pieselor imprimate sunt reduse semnificativ. Distribuția neuniformă a energiei fasciculelor gaussiene duce, de asemenea, la o eficiență scăzută a utilizării energiei laser și la o risipă excesivă de energie. Pentru a obține o calitate mai bună a imprimării, oamenii de știință au început să exploreze compensarea defectelor fasciculelor gaussiene prin modificarea parametrilor procesului, cum ar fi puterea laserului, viteza de scanare, grosimea stratului de pulbere și strategia de scanare, pentru a controla posibilitatea aportului de energie. Datorită ferestrei de procesare foarte înguste a acestei metode, limitările fizice fixe limitează posibilitatea de optimizare ulterioară. De exemplu, creșterea puterii laserului și a vitezei de scanare poate obține o eficiență ridicată a producției, dar adesea are prețul sacrificării calității imprimării. În ultimii ani, schimbarea distribuției energiei laser prin strategii de modelare a fasciculului poate îmbunătăți semnificativ eficiența producției și calitatea imprimării, ceea ce poate deveni direcția viitoare de dezvoltare a tehnologiei de fabricație aditivă cu laser. Tehnologia de modelare a fasciculului se referă în general la ajustarea distribuției frontului de undă a fasciculului de intrare pentru a obține distribuția intensității dorite și caracteristicile de propagare. Aplicarea tehnologiei de modelare a fasciculului în tehnologia de fabricație aditivă a metalelor este prezentată în Figura 2.
Aplicarea tehnologiei de modelare a fasciculului în fabricarea aditivă cu laser
Deficiențele tipăririi tradiționale cu fascicul Gaussian
În tehnologia de fabricație aditivă cu laser metalic, distribuția energiei fasciculului laser are un impact semnificativ asupra calității pieselor imprimate. Deși fasciculele gaussiene au fost utilizate pe scară largă în echipamentele de fabricație aditivă cu laser metalic, ele suferă de dezavantaje serioase, cum ar fi calitatea instabilă a imprimării, utilizarea scăzută a energiei și ferestrele înguste ale procesului în procesul de fabricație aditivă. Printre acestea, procesul de topire a pulberii și dinamica bazinului topit în timpul procesului de aditiv cu laser metalic sunt strâns legate de grosimea stratului de pulbere. Datorită prezenței zonelor de stropire și eroziune cu pulbere, grosimea reală a stratului de pulbere este mai mare decât așteptările teoretice. În al doilea rând, coloana de abur a provocat stropii principale cu jetul înapoi. Vaporii de metal se ciocnesc cu peretele din spate pentru a forma stropi, care sunt pulverizate de-a lungul peretelui frontal perpendicular pe zona concavă a bazinului topit (așa cum se arată în Figura 3). Datorită interacțiunii complexe dintre fasciculul laser și stropii, stropii ejectați pot afecta grav calitatea imprimării straturilor de pulbere ulterioare. În plus, formarea găurilor de cheie în bazinul de topire afectează serios calitatea pieselor imprimate. Porii interni ai piesei imprimate sunt cauzați în principal de găurile de blocare instabile.
Mecanismul de formare a defectelor în tehnologia de modelare a fasciculului
Tehnologia de modelare a fasciculului poate obține o îmbunătățire a performanței în mai multe dimensiuni simultan, ceea ce este diferit de grinzile gaussiene care îmbunătățesc performanța într-o dimensiune cu prețul sacrificării altor dimensiuni. Tehnologia de modelare a fasciculului poate ajusta cu precizie distribuția temperaturii și caracteristicile de curgere ale bazinului de topire. Prin controlul distribuției energiei laser, se obține un bazin topit relativ stabil cu un gradient de temperatură mic. Distribuția adecvată a energiei laser este benefică pentru suprimarea porozității și a defectelor de pulverizare și pentru îmbunătățirea calității imprimării laser pe piesele metalice. Poate obține diferite îmbunătățiri ale eficienței producției și utilizării pulberii. În același timp, tehnologia de modelare a fasciculului ne oferă mai multe strategii de procesare, eliberând foarte mult libertatea de proiectare a procesului, ceea ce reprezintă un progres revoluționar în tehnologia de fabricație aditivă cu laser.
Ora postării: 28-feb-2024
