Laseradditiv tillverkningsteknik (AM), med sina fördelar med hög tillverkningsnoggrannhet, stark flexibilitet och hög grad av automatisering, används ofta vid tillverkning av nyckelkomponenter inom områden som fordonsindustrin, medicin, flyg- och rymdindustrin etc. (såsom raketbränslemunstycken, satellitantennfästen, mänskliga implantat etc.). Denna teknik kan avsevärt förbättra den kombinerade prestandan hos tryckta delar genom integrerad tillverkning av materialstruktur och prestanda. För närvarande använder laseradditiv tillverkningsteknik i allmänhet en fokuserad Gaussisk stråle med en hög centrum- och låg kantenergifördelning. 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, vilket förbättrar utskriftseffektiviteten och kvaliteten genom att justera fördelningen av laserstrålens energi.
Jämfört med traditionell subtraktion och motsvarande tillverkning har metalladditiv tillverkningsteknik fördelar som kort tillverkningscykeltid, hög bearbetningsnoggrannhet, hög materialutnyttjandegrad och god övergripande prestanda för delar. Därför används metalladditiv tillverkningsteknik i stor utsträckning inom industrier som flyg- och rymdindustrin, vapen och utrustning, kärnkraft, biofarmaceutiska produkter och bilar. Baserat på principen om diskret stapling använder metalladditiv tillverkning en energikälla (såsom 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 vid produktion av små satser, komplexa strukturer eller personliga delar. Material som inte kan eller är svåra att bearbeta med traditionella tekniker är också lämpliga för framställning med additiva tillverkningsmetoder. På grund av ovanstående fördelar har additiv tillverkningsteknik väckt stor uppmärksamhet från forskare både nationellt och internationellt. Under de senaste decennierna har additiv tillverkningsteknik gjort snabba framsteg. På grund av automatiseringen och flexibiliteten hos laseradditiv tillverkningsutrustning, samt de omfattande fördelarna med hög laserenergitäthet och hög bearbetningsnoggrannhet, har laseradditiv tillverkningsteknik utvecklats snabbast bland de tre metalladditiva tillverkningsteknikerna som nämns ovan.
Laseradditiv tillverkningsteknik för metall kan vidare delas in i LPBF och DED. Figur 1 visar ett typiskt schematiskt diagram över LPBF- och DED-processer. LPBF-processen, även känd som selektiv lasersmältning (SLM), kan tillverka komplexa metallkomponenter genom att skanna högenergiska laserstrålar längs en fast bana på ytan av en pulverbädd. Därefter smälter pulvret och stelnar lager för lager. DED-processen omfattar huvudsakligen två tryckprocesser: lasersmältningsdeponering och lasertrådmatning av additiv tillverkning. Båda dessa tekniker kan direkt tillverka och reparera metalldelar genom att synkront mata metallpulver eller tråd. Jämfört med LPBF har DED högre produktivitet och större tillverkningsyta. Dessutom kan denna metod också enkelt framställa kompositmaterial och funktionellt graderade material. Ytkvaliteten på delar som trycks med DED är dock alltid dålig, och efterföljande bearbetning behövs för att förbättra målkomponentens dimensionsnoggrannhet.
I den nuvarande additiva lasertillverkningsprocessen är den fokuserade Gaussiska strålen vanligtvis energikällan. På grund av dess unika energifördelning (högt centrum, låg kant) är det dock troligt att den orsakar höga termiska gradienter och instabilitet i smältbadet. Detta resulterar i dålig formningskvalitet hos de tryckta delarna. Om smältbadets centrumtemperatur är för hög kommer det dessutom att orsaka att metallelementen med låg smältpunkt förångas, vilket ytterligare förvärrar instabiliteten i LBPF-processen. Därför, med en ökning av porositet, minskar de mekaniska egenskaperna och utmattningstiden hos de tryckta delarna avsevärt. Den ojämna energifördelningen hos Gaussiska strålar leder också till låg effektivitet i laserenergiutnyttjandet och överdrivet energislöseri. För att uppnå bättre tryckkvalitet har forskare börjat utforska möjligheten att kompensera för defekterna hos Gaussiska strålar genom att modifiera processparametrar som lasereffekt, skanningshastighet, pulverskiktets tjocklek och skanningsstrategi, för att kontrollera möjligheten till energiinmatning. 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 det sker ofta på bekostnad av utskriftskvaliteten. Under senare år har förändringar av laserenergifördelningen genom strålformningsstrategier avsevärt förbättrat tillverkningseffektiviteten och utskriftskvaliteten, vilket kan bli den framtida utvecklingsriktningen för laseradditiv tillverkningsteknik. Strålformningsteknik avser generellt att justera vågfrontsfördelningen hos ingångsstrålen för att erhålla önskad intensitetsfördelning och utbredningsegenskaper. Tillämpningen av strålformningsteknik inom additiv tillverkningsteknik för metall visas i figur 2.
Tillämpning av strålformningsteknik inom laseradditiv tillverkning
Nackdelarna med traditionell gaussisk stråltryckning
Inom additiv tillverkningsteknik för metalllaser har laserstrålens energifördelning en betydande inverkan på kvaliteten på de tryckta delarna. Även om Gaussiska strålar har använts i stor utsträckning i additiv tillverkningsutrustning för metalllaser, lider de av allvarliga nackdelar såsom instabil utskriftskvalitet, låg energianvändning och smala processfönster i den additiva tillverkningsprocessen. Bland dessa är pulvrets smältprocess och dynamiken i den smälta poolen under den additiva metalllaserprocessen nära relaterade till pulverskiktets tjocklek. På grund av förekomsten av pulverstänk och erosionszoner är den faktiska tjockleken på pulverskiktet högre än den teoretiska förväntan. För det andra orsakade ångpelaren de huvudsakliga bakåtriktade jetstänken. Metallångan kolliderar med bakväggen och bildar stänk, som sprutas längs framväggen vinkelrätt mot den konkava ytan av den smälta poolen (som visas i figur 3). På grund av den komplexa interaktionen mellan laserstrålen och stänken kan de utstötta stänken allvarligt påverka utskriftskvaliteten på efterföljande pulverskikt. Dessutom påverkar bildandet av nyckelhål i smältpoolen också allvarligt kvaliteten på de tryckta delarna. 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 strålar som förbättrar prestandan i en dimension på bekostnad av att offra andra dimensioner. Strålformningsteknik kan exakt justera temperaturfördelningen och flödesegenskaperna hos smältan. Genom att kontrollera fördelningen av laserenergi erhålls en relativt stabil smältpool med en liten temperaturgradient. Lämplig laserenergifördelning är fördelaktig för att undertrycka porositet och sputterdefekter och förbättra kvaliteten på laserutskrift på metalldelar. Den kan uppnå olika förbättringar i produktionseffektivitet och pulverutnyttjande. Samtidigt ger strålformningstekniken oss fler bearbetningsstrategier, vilket avsevärt frigör friheten i processdesign, vilket är ett revolutionerande framsteg inom laseradditiv tillverkningsteknik.
Publiceringstid: 28 februari 2024
