Laser additive manufacturing (AM)-teknologi, med dess fördelar med hög tillverkningsnoggrannhet, stark flexibilitet och hög grad av automatisering, används i stor utsträckning vid tillverkning av nyckelkomponenter inom områden som fordon, medicin, flyg, etc. (som raketer). bränslemunstycken, satellitantennfästen, mänskliga implantat, etc.). Denna teknik kan avsevärt förbättra kombinationsprestandan hos tryckta delar genom integrerad tillverkning av materialstruktur och prestanda. För närvarande använder lasertillverkningstekniken generellt en fokuserad gaussisk stråle med en hög centrum- och lågkantsenergifördelning. Det genererar dock ofta höga termiska gradienter i smältan, vilket leder till efterföljande bildning av porer och grova korn. Strålformningsteknik är en ny metod för att lösa detta problem, som förbättrar utskriftseffektiviteten och kvaliteten genom att justera fördelningen av laserstråleenergi.
Jämfört med traditionell subtraktion och likvärdig tillverkning, har metalltillverkningsteknik fördelar som kort tillverkningscykeltid, hög bearbetningsnoggrannhet, hög materialutnyttjandegrad och bra övergripande prestanda hos delar. Därför används teknik för tillverkning av metalltillsatser i stor utsträckning inom industrier som flyg, vapen och utrustning, kärnkraft, bioläkemedel och bilar. Baserat på principen om diskret stapling, använder metalltillsatstillverkning en energikälla (som laser, ljusbåge eller elektronstråle) för att smälta pulvret eller tråden och staplar dem sedan lager för lager för att tillverka målkomponenten. Denna teknik har betydande fördelar när det gäller att producera små partier, komplexa strukturer eller personliga delar. Material som inte kan eller är svåra att bearbeta med traditionella tekniker är också lämpliga för beredning med additiv tillverkningsmetoder. På grund av ovanstående fördelar har additiv tillverkningsteknik väckt stor uppmärksamhet från forskare både nationellt och internationellt. Under de senaste decennierna har teknologin för additiv tillverkning gjort snabba framsteg. På grund av automatiseringen och flexibiliteten hos utrustning för lasertillsatstillverkning, såväl som de omfattande fördelarna med hög laserenergidensitet och hög bearbetningsnoggrannhet, har lasertillsatstillverkningstekniken utvecklats snabbast bland de tre metalltillsatstillverkningsteknikerna som nämns ovan.
Tillverkningsteknik för lasermetalltillverkning kan ytterligare delas in i LPBF och DED. Figur 1 visar ett typiskt schematiskt diagram över LPBF- och DED-processer. LPBF-processen, även känd som Selective Laser Melting (SLM), kan tillverka komplexa metallkomponenter genom att skanna högenergilaserstrålar längs en fast bana på ytan av en pulverbädd. Sedan smälter pulvret och stelnar lager för lager. DED-processen omfattar huvudsakligen två tryckprocesser: lasersmältningsdeposition och lasertrådmatningstillverkning. Båda dessa teknologier kan direkt tillverka och reparera metalldelar genom att synkront mata metallpulver eller tråd. Jämfört med LPBF har DED högre produktivitet och större tillverkningsområde. Dessutom kan denna metod även bekvämt framställa kompositmaterial och funktionellt graderade material. Ytkvaliteten på delar som trycks av DED är dock alltid dålig, och efterföljande bearbetning krävs för att förbättra målkomponentens dimensionella noggrannhet.
I den nuvarande tillverkningsprocessen för laseradditiv är den fokuserade gaussiska strålen vanligtvis energikällan. Men på grund av sin unika energifördelning (högt centrum, låg kant) kommer det sannolikt att orsaka höga termiska gradienter och instabilitet i smältbassängen. Resulterar i dålig formningskvalitet på tryckta delar. Dessutom, om centrumtemperaturen i den smälta poolen är för hög, kommer det att få metallelementen med låg smältpunkt att förångas, vilket ytterligare förvärrar instabiliteten i LBPF-processen. Därför, med en ökning av porositeten, reduceras de mekaniska egenskaperna och utmattningslivslängden för tryckta delar avsevärt. Den ojämna energifördelningen av gaussiska strålar leder också till lågt laserenergiutnyttjande och överdrivet energislöseri. För att uppnå bättre utskriftskvalitet har forskare börjat undersöka att kompensera för defekterna hos gaussiska strålar genom att modifiera processparametrar som lasereffekt, skanningshastighet, pulverskikttjocklek och skanningsstrategi, för att kontrollera möjligheten till energitillförsel. På grund av det mycket smala bearbetningsfönstret för denna metod begränsar fasta fysiska begränsningar möjligheten till ytterligare optimering. Till exempel kan ökad lasereffekt och skanningshastighet uppnå hög tillverkningseffektivitet, men kommer ofta på bekostnad av att offra utskriftskvalitet. Under de senaste åren kan en förändring av laserenergidistributionen genom strålformningsstrategier avsevärt förbättra tillverkningseffektiviteten och utskriftskvaliteten, vilket kan bli den framtida utvecklingsriktningen för lasertillverkningsteknik. Strålformningsteknologi hänvisar i allmänhet till att justera vågfrontsfördelningen av ingångsstrålen för att erhålla den önskade intensitetsfördelningen och utbredningsegenskaperna. Tillämpningen av strålformningsteknik i tillverkningsteknik för metalltillsats visas i figur 2.
Tillämpning av strålformningsteknik vid lasertillverkning
Bristerna med traditionell gaussisk stråleutskrift
Inom metalllasertillverkningstekniken har laserstrålens energifördelning en betydande inverkan på kvaliteten på tryckta delar. Även om gaussiska strålar har använts i stor utsträckning i metalllasertillverkningsutrustning, lider de av allvarliga nackdelar såsom instabil utskriftskvalitet, lågt energiutnyttjande och smala processfönster i den additiva tillverkningsprocessen. Bland dem är smältprocessen för pulvret och dynamiken i den smälta poolen under metalllasertillsatsprocessen nära relaterade till pulverskiktets tjocklek. På grund av förekomsten av pulverstänk och erosionszoner är den faktiska tjockleken på pulverskiktet högre än den teoretiska förväntningen. För det andra orsakade ångkolonnen huvudstänken bakåt. Metallångan kolliderar med den bakre väggen för att bilda stänk, som sprutas längs den främre väggen vinkelrätt mot det konkava området av den smälta poolen (som visas i figur 3). På grund av den komplexa interaktionen mellan laserstrålen och stänk, kan de utstötta stänken allvarligt påverka utskriftskvaliteten för efterföljande pulverlager. Dessutom påverkar bildandet av nyckelhål i smältbassängen också kvaliteten på tryckta delar allvarligt. De inre porerna i det tryckta stycket orsakas huvudsakligen av instabila låshål.
Bildningsmekanismen för defekter i strålformningsteknik
Strålformningsteknik kan uppnå prestandaförbättringar i flera dimensioner samtidigt, vilket skiljer sig från Gaussiska balkar som förbättrar prestandan i en dimension till priset av att offra andra dimensioner. Strålformningsteknik kan noggrant justera temperaturfördelningen och flödesegenskaperna för smältbassängen. Genom att styra fördelningen av laserenergi erhålls en relativt stabil smältpool med liten temperaturgradient. Lämplig laserenergifördelning är fördelaktigt för att undertrycka porositets- och sputterdefekter och förbättra kvaliteten på laserutskrift på metalldelar. Det kan uppnå olika förbättringar i produktionseffektivitet och pulverutnyttjande. Samtidigt ger strålformningsteknologin oss fler bearbetningsstrategier, vilket i hög grad frigör friheten för processdesign, vilket är ett revolutionerande framsteg inom lasertillverkningsteknik.
Posttid: 2024-2-28
