Lazerinės pridėtinės gamybos (AM) technologija, pasižyminti dideliu gamybos tikslumu, dideliu lankstumu ir aukštu automatizavimo laipsniu, yra plačiai naudojama pagrindinių komponentų, tokių kaip automobilių, medicinos, aviacijos ir kosmoso pramonė ir kt., gamyboje (pvz., raketų kuro purkštukai, palydovinių antenų laikikliai, žmogaus implantai ir kt.). Ši technologija gali gerokai pagerinti spausdintų dalių kombinuotą našumą, integruotai gaminant medžiagų struktūrą ir našumą. Šiuo metu lazerinės pridėtinės gamybos technologija paprastai naudoja fokusuotą Gauso spindulį su aukštu centro ir mažu krašto energijos pasiskirstymu. Tačiau ji dažnai sukuria didelius terminius gradientus lydale, dėl kurių vėliau susidaro poros ir stambios dalelės. Spindulio formavimo technologija yra naujas būdas šiai problemai išspręsti, kuri pagerina spausdinimo efektyvumą ir kokybę, reguliuodama lazerio spindulio energijos pasiskirstymą.
Palyginti su tradicine atimtimi ir lygiaverte gamyba, metalo priedų gamybos technologija turi tokių pranašumų kaip trumpas gamybos ciklo laikas, didelis apdorojimo tikslumas, didelis medžiagų panaudojimo lygis ir geros bendros detalių eksploatacinės savybės. Todėl metalo priedų gamybos technologija plačiai naudojama tokiose pramonės šakose kaip aviacija ir kosmoso pramonė, ginklų ir įrangos, branduolinės energetikos, biofarmacijos ir automobilių pramonė. Remiantis diskretinio krovimo principu, metalo priedų gamyboje naudojamas energijos šaltinis (pvz., lazeris, lankas arba elektronų pluoštas), kad ištirpdytų miltelius arba vielą, o tada juos sluoksniuojant, kad būtų pagamintas tikslinis komponentas. Ši technologija turi didelių pranašumų gaminant mažas partijas, sudėtingas struktūras arba suasmenintas detales. Medžiagos, kurių negalima arba sunku apdoroti naudojant tradicinius metodus, taip pat tinka paruošti naudojant priedų gamybos metodus. Dėl minėtų privalumų priedų gamybos technologija sulaukė didelio mokslininkų dėmesio tiek šalies viduje, tiek tarptautiniu mastu. Per pastaruosius kelis dešimtmečius priedų gamybos technologija sparčiai vystėsi. Dėl lazerinės priedų gamybos įrangos automatizavimo ir lankstumo, taip pat dėl didelio lazerio energijos tankio ir didelio apdorojimo tikslumo visapusiškų privalumų, lazerinės priedų gamybos technologija vystėsi sparčiausiai iš trijų aukščiau paminėtų metalo priedų gamybos technologijų.
Lazerinio metalo adityvaus gamybos technologiją galima toliau suskirstyti į LPBF ir DED. 1 paveiksle parodyta tipinė LPBF ir DED procesų schema. LPBF procesas, dar žinomas kaip selektyvus lazerinis lydymas (SLM), gali gaminti sudėtingus metalinius komponentus skenuojant didelės energijos lazerio spindulius išilgai fiksuoto kelio miltelių sluoksnio paviršiuje. Tada milteliai sluoksnis po sluoksnio išsilydo ir sukietėja. DED procesas daugiausia apima du spausdinimo procesus: lazerinio lydymo nusodinimą ir lazerinio vielos padavimo adityvaus gamybos procesą. Abi šios technologijos gali tiesiogiai gaminti ir remontuoti metalines detales sinchroniškai paduojant metalo miltelius arba vielą. Palyginti su LPBF, DED pasižymi didesniu našumu ir didesniu gamybos plotu. Be to, šis metodas taip pat gali patogiai paruošti kompozicines medžiagas ir funkciškai graduotas medžiagas. Tačiau DED spausdintų detalių paviršiaus kokybė visada yra prasta, todėl reikalingas tolesnis apdorojimas, siekiant pagerinti tikslinio komponento matmenų tikslumą.
Dabartiniame lazerinio adityvaus gamybos procese energijos šaltinis dažniausiai yra sufokusuotas Gauso spindulys. Tačiau dėl unikalaus energijos pasiskirstymo (aukštas centras, žemas kraštas) jis gali sukelti didelius terminius gradientus ir lydalo vonios nestabilumą. Dėl to spausdintų detalių formavimo kokybė prasta. Be to, jei išlydyto vonios centro temperatūra yra per aukšta, žemos lydymosi temperatūros metaliniai elementai išgaruos, o tai dar labiau padidins LBPF proceso nestabilumą. Todėl, padidėjus poringumui, žymiai sumažėja spausdintų detalių mechaninės savybės ir nuovargio atsparumas. Netolygus Gauso spindulių energijos pasiskirstymas taip pat lemia mažą lazerio energijos panaudojimo efektyvumą ir per didelį energijos švaistymą. Siekdami geresnės spausdinimo kokybės, mokslininkai pradėjo tyrinėti Gauso spindulių defektų kompensavimą modifikuodami proceso parametrus, tokius kaip lazerio galia, skenavimo greitis, miltelių sluoksnio storis ir skenavimo strategija, kad būtų galima kontroliuoti energijos įvedimo galimybę. Dėl labai siauro šio metodo apdorojimo lango, fiksuoti fiziniai apribojimai riboja tolesnio optimizavimo galimybes. Pavyzdžiui, padidinus lazerio galią ir skenavimo greitį galima pasiekti didelį gamybos efektyvumą, tačiau dažnai tai daroma aukojant spausdinimo kokybę. Pastaraisiais metais lazerio energijos paskirstymo keitimas taikant spindulių formavimo strategijas gali žymiai pagerinti gamybos efektyvumą ir spausdinimo kokybę, o tai gali tapti būsima lazerinės adityvinės gamybos technologijos plėtros kryptimi. Spindulio formavimo technologija paprastai reiškia įėjimo spindulio bangos fronto pasiskirstymo reguliavimą, siekiant gauti norimą intensyvumo pasiskirstymą ir sklidimo charakteristikas. Spindulio formavimo technologijos taikymas metalo adityvinėje gamyboje parodytas 2 paveiksle.
Spindulių formavimo technologijos taikymas lazerinėje priedinėje gamyboje
Tradicinio Gauso spindulių spausdinimo trūkumai
Metalo lazerinio priedinio gamybos technologijoje lazerio spindulio energijos pasiskirstymas daro didelę įtaką spausdintų detalių kokybei. Nors Gauso spinduliai buvo plačiai naudojami metalo lazerinio priedinio gamybos įrangoje, jie turi rimtų trūkumų, tokių kaip nestabili spausdinimo kokybė, mažas energijos suvartojimas ir siauri proceso langai priedinio gamybos procese. Tarp jų miltelių lydymosi procesas ir išlydyto metalo telkinio dinamika metalo lazerinio priedinio gamybos proceso metu yra glaudžiai susiję su miltelių sluoksnio storiu. Dėl miltelių purslų ir erozijos zonų faktinis miltelių sluoksnio storis yra didesnis nei teorinis. Antra, garų kolonėlė sukelia pagrindinius atgalinius purslus. Metalo garai susiduria su galine sienele ir sudaro purslus, kurie purškiami išilgai priekinės sienelės statmenai išlydyto metalo telkinio įgaubtai sričiai (kaip parodyta 3 paveiksle). Dėl sudėtingos lazerio spindulio ir purslų sąveikos išpūsti purslai gali rimtai paveikti vėlesnių miltelių sluoksnių spausdinimo kokybę. Be to, „rakto skylučių“ susidarymas išlydyto metalo telkinyje taip pat rimtai veikia spausdintų detalių kokybę. Spausdinto gaminio vidines poras daugiausia sukelia nestabilios fiksavimo skylės.
Sijų formavimo technologijos defektų susidarymo mechanizmas
Spindulių formavimo technologija gali pagerinti našumą keliose dimensijose vienu metu, o tai skiriasi nuo Gauso spindulių, kurie pagerina našumą vienoje dimensijoje, tačiau aukojami kiti matmenys. Spindulių formavimo technologija gali tiksliai reguliuoti išlydyto metalo temperatūros pasiskirstymą ir tekėjimo charakteristikas. Valdant lazerio energijos pasiskirstymą, gaunamas santykinai stabilus išlydytas metalas su nedideliu temperatūros gradientu. Tinkamas lazerio energijos paskirstymas yra naudingas mažinant poringumą ir dulkinimo defektus bei gerinant lazerinio spausdinimo ant metalinių detalių kokybę. Tai gali padėti pasiekti įvairių gamybos efektyvumo ir miltelių panaudojimo patobulinimų. Tuo pačiu metu spindulių formavimo technologija suteikia mums daugiau apdorojimo strategijų, labai išlaisvindama procesų projektavimo laisvę, o tai yra revoliucinė lazerinės adityvinės gamybos technologijos pažanga.
Įrašo laikas: 2024 m. vasario 28 d.
