Tehnologia de fabricație aditivă cu laser (AM), cu avantajele sale de precizie ridicată a fabricației, flexibilitate puternică și grad ridicat de automatizare, este utilizată pe scară largă în fabricarea componentelor cheie în domenii precum industria auto, medicală, aerospațială etc. (cum ar fi duzele de combustibil pentru rachete, suporturile de antene satelit, implanturile umane etc.). Această tehnologie poate îmbunătăți considerabil performanța combinată a pieselor imprimate prin fabricarea integrată a structurii și performanței materialului. În prezent, tehnologia de fabricație aditivă cu laser adoptă în general un fascicul gaussian focalizat, cu o distribuție a energiei la centru ridicată și la margini scăzute. Cu toate acestea, generează adesea gradienți termici mari în topitură, ceea ce duce la formarea ulterioară de pori și granule grosiere. Tehnologia de modelare a fasciculului este o nouă metodă de rezolvare a acestei probleme, care îmbunătățește eficiența și calitatea imprimării prin ajustarea distribuției energiei fasciculului laser.
Comparativ cu metoda tradițională de subtracție și fabricație echivalentă, tehnologia de fabricație aditivă cu metale are avantaje precum un ciclu scurt de fabricație, o precizie ridicată de procesare, o rată ridicată de utilizare a materialelor și o performanță generală bună a pieselor. Prin urmare, tehnologia de fabricație aditivă cu metale este utilizată pe scară largă în industrii precum industria aerospațială, armament și echipamente, energia nucleară, biofarmaceuticele și industria automobilelor. Bazată pe principiul stivuirii discrete, fabricația aditivă cu metale utilizează o sursă de energie (cum ar fi laserul, arcul sau fasciculul de electroni) pentru a topi pulberea sau sârma, 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 procesat folosind tehnici tradiționale sunt, de asemenea, potrivite pentru prepararea folosind 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 decenii, tehnologia de fabricație aditivă a înregistrat progrese rapide. Datorită automatizării și flexibilității echipamentelor de fabricație aditivă cu laser, precum și avantajelor complete ale densității mari de energie laser și preciziei ridicate de procesare, tehnologia de fabricație aditivă cu laser s-a dezvoltat cel mai rapid dintre cele trei tehnologii de fabricație aditivă cu metale menționate mai sus.
Tehnologia de fabricație aditivă 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 numele de Topire Selectivă cu Laser (SLM), poate fabrica componente metalice complexe prin scanarea fasciculelor laser de înaltă energie de-a lungul unei traiectorii fixe 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 aditivă cu alimentare cu sârmă laser. Ambele tehnologii pot fabrica și repara direct piese metalice prin alimentarea sincronă cu pulbere metalică sau sârmă. Comparativ cu LPBF, DED are o productivitate mai mare și o suprafață de fabricație mai mare. În plus, această metodă poate prepara, de asemenea, în mod convenabil materiale compozite și materiale cu grad funcțional. Cu toate acestea, calitatea suprafeței pieselor imprimate prin DED este întotdeauna slabă, iar prelucrarea ulterioară este necesară pentru a îmbunătăți precizia 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 băii de topitură. Rezultă o calitate slabă a formării pieselor imprimate. În plus, dacă temperatura centrală a băii de topitură este prea mare, aceasta va provoca 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 inegală 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, cercetătorii 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 de aport de energie. Datorită ferestrei de procesare foarte înguste a acestei metode, limitările fizice fixe limitează posibilitatea unei optimizări ulterioare. De exemplu, creșterea puterii laserului și a vitezei de scanare poate permite obținerea unei eficiențe ridicate în fabricație, dar adesea vine cu prețul sacrificării calității imprimării. În ultimii ani, modificarea distribuției energiei laserului prin strategii de modelare a fasciculului poate îmbunătăți semnificativ eficiența fabricației 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 al fasciculului de intrare pentru a obține distribuția intensității și caracteristicile de propagare dorite. Aplicarea tehnologiei de modelare a fasciculului în tehnologia de fabricație aditivă cu metale este prezentată în Figura 2.
Aplicarea tehnologiei de modelare a fasciculului în fabricația aditivă cu laser
Dezavantajele imprimării 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, acestea suferă de dezavantaje serioase, cum ar fi calitatea instabilă a imprimării, utilizarea redusă a energiei și ferestrele de proces înguste în procesul de fabricație aditivă. Printre acestea, procesul de topire a pulberii și dinamica băii de topit în timpul procesului de aditiv cu laser metalic sunt strâns legate de grosimea stratului de pulbere. Datorită prezenței zonelor de stropire și eroziune a pulberii, grosimea reală a stratului de pulbere este mai mare decât cea așteptată teoretic. În al doilea rând, coloana de abur a provocat principalele stropi de jet invers. Vaporii metalici se ciocnesc cu peretele posterior pentru a forma stropi, care sunt pulverizați de-a lungul peretelui frontal perpendicular pe zona concavă a băii de topit (așa cum se arată în Figura 3). Datorită interacțiunii complexe dintre fasciculul laser și stropi, stropii ejectați pot afecta serios calitatea imprimării straturilor ulterioare de pulbere. În plus, formarea de găuri de cheie în baia de topit afectează, de asemenea, serios calitatea pieselor imprimate. Porii interni ai piesei imprimate sunt cauzați în principal de găuri de blocare instabile.
Mecanismul de formare a defectelor în tehnologia de modelare a fasciculului
Tehnologia de modelare a fasciculului poate obține îmbunătățiri ale performanței în mai multe dimensiuni simultan, ceea ce este diferit de fasciculele gaussiene, care îmbunătățesc performanța într-o singură dimensiune cu prețul sacrificării altor dimensiuni. Tehnologia de modelare a fasciculului poate ajusta cu precizie distribuția temperaturii și caracteristicile de curgere ale băii de topitură. Prin controlul distribuției energiei laser, se obține o baie de topitură relativ stabilă, cu un gradient de temperatură mic. Distribuția adecvată a energiei laser este benefică pentru suprimarea porozității și a defectelor de pulverizare catodică și pentru îmbunătățirea calității imprimării laser pe piesele metalice. Poate obține diverse îmbunătățiri în ceea ce privește eficiența producției și utilizarea pulberii. În același timp, tehnologia de modelare a fasciculului ne oferă mai multe strategii de procesare, eliberând considerabil libertatea de proiectare a proceselor, ceea ce reprezintă un progres revoluționar în tehnologia de fabricație aditivă cu laser.
Data publicării: 28 februarie 2024
