Staru formēšanas tehnoloģijas pielietojums metāla lāzera piedevu ražošanā

Lāzera piedevu ražošanas (AM) tehnoloģija, kuras priekšrocības ir augsta ražošanas precizitāte, spēcīga elastība un augsta automatizācijas pakāpe, tiek plaši izmantota galveno komponentu ražošanā tādās jomās kā automobiļu rūpniecība, medicīna, aviācija utt. (piemēram, raķešu rūpniecība). degvielas sprauslas, satelītantenas kronšteini, cilvēka implanti utt.). Šī tehnoloģija var ievērojami uzlabot drukāto detaļu kombinēto veiktspēju, izmantojot integrētu materiālu struktūras un veiktspējas ražošanu. Pašlaik lāzera piedevu ražošanas tehnoloģija parasti izmanto fokusētu Gausa staru ar augstu centra un zemas malas enerģijas sadalījumu. Tomēr tas bieži rada augstus termiskos gradientus kausējumā, kā rezultātā veidojas poras un rupji graudi. Staru veidošanas tehnoloģija ir jauna metode šīs problēmas risināšanai, kas uzlabo drukas efektivitāti un kvalitāti, pielāgojot lāzera stara enerģijas sadalījumu.

Salīdzinot ar tradicionālo atņemšanu un līdzvērtīgu ražošanu, metāla piedevu ražošanas tehnoloģijai ir tādas priekšrocības kā īss ražošanas cikla laiks, augsta apstrādes precizitāte, augsts materiālu izmantošanas līmenis un laba detaļu kopējā veiktspēja. Tāpēc metāla piedevu ražošanas tehnoloģija tiek plaši izmantota tādās nozarēs kā aviācija, ieroči un aprīkojums, kodolenerģija, biofarmaceitika un automobiļi. Pamatojoties uz diskrētas sakraušanas principu, metāla piedevu ražošanā tiek izmantots enerģijas avots (piemēram, lāzers, loks vai elektronu stars), lai izkausētu pulveri vai stiepli, un pēc tam tos saliek slāni pa slānim, lai ražotu mērķa sastāvdaļu. Šai tehnoloģijai ir ievērojamas priekšrocības mazu partiju, sarežģītu konstrukciju vai personalizētu detaļu ražošanā. Materiāli, kurus nevar vai ir grūti apstrādāt, izmantojot tradicionālās metodes, ir piemēroti arī sagatavošanai, izmantojot piedevas ražošanas metodes. Pateicoties iepriekšminētajām priekšrocībām, piedevu ražošanas tehnoloģija ir piesaistījusi plašu zinātnieku uzmanību gan vietējā, gan starptautiskā mērogā. Pēdējo desmitgažu laikā piedevu ražošanas tehnoloģija ir strauji progresējusi. Pateicoties lāzera piedevu ražošanas iekārtu automatizācijai un elastībai, kā arī visaptverošajām priekšrocībām, ko rada augsts lāzera enerģijas blīvums un augsta apstrādes precizitāte, lāzera piedevu ražošanas tehnoloģija ir attīstījusies visstraujāk starp trim iepriekš minētajām metāla piedevu ražošanas tehnoloģijām.

Lāzera metāla piedevu ražošanas tehnoloģiju var iedalīt LPBF un DED. 1. attēlā parādīta tipiska LPBF un DED procesu shematiska diagramma. LPBF process, kas pazīstams arī kā Selective Laser Melting (SLM), var ražot sarežģītas metāla sastāvdaļas, skenējot augstas enerģijas lāzera starus pa fiksētu ceļu uz pulvera slāņa virsmas. Pēc tam pulveris kūst un slāni pa slānim sacietē. DED process galvenokārt ietver divus drukāšanas procesus: lāzerkausēšanas uzklāšanu un lāzera stieples padeves piedevu ražošanu. Abas šīs tehnoloģijas var tieši ražot un salabot metāla detaļas, sinhroni padodot metāla pulveri vai stiepli. Salīdzinot ar LPBF, DED ir augstāka produktivitāte un lielāka ražošanas platība. Turklāt ar šo metodi var ērti sagatavot arī kompozītmateriālus un funkcionāli šķirotus materiālus. Tomēr DED drukāto detaļu virsmas kvalitāte vienmēr ir slikta, un ir nepieciešama turpmāka apstrāde, lai uzlabotu mērķa komponenta izmēru precizitāti.

Pašreizējā lāzera piedevu ražošanas procesā fokusētais Gausa stars parasti ir enerģijas avots. Tomēr tā unikālā enerģijas sadalījuma (augsts centrs, zema mala) dēļ tas, iespējams, izraisīs augstus termiskos gradientus un kausējuma baseina nestabilitāti. Rezultātā apdrukāto detaļu formēšanas kvalitāte ir slikta. Turklāt, ja izkausētā baseina centra temperatūra ir pārāk augsta, tas izraisīs zemas kušanas temperatūras metāla elementu iztvaikošanu, vēl vairāk saasinot LBPF procesa nestabilitāti. Tāpēc, palielinoties porainībai, ievērojami samazinās apdrukāto detaļu mehāniskās īpašības un noguruma kalpošanas laiks. Gausa staru nevienmērīgais enerģijas sadalījums rada arī zemu lāzera enerģijas izmantošanas efektivitāti un pārmērīgu enerģijas izšķērdēšanu. Lai panāktu labāku drukas kvalitāti, zinātnieki ir sākuši pētīt, kā kompensēt Gausa staru defektus, mainot procesa parametrus, piemēram, lāzera jaudu, skenēšanas ātrumu, pulvera slāņa biezumu un skenēšanas stratēģiju, lai kontrolētu enerģijas ievadīšanas iespēju. Šīs metodes ļoti šaurā apstrādes loga dēļ fiksētie fiziskie ierobežojumi ierobežo turpmākās optimizācijas iespēju. Piemēram, palielinot lāzera jaudu un skenēšanas ātrumu, var sasniegt augstu ražošanas efektivitāti, taču bieži vien tas ir saistīts ar drukas kvalitātes upurēšanu. Pēdējos gados lāzera enerģijas sadales maiņa, izmantojot staru veidošanas stratēģijas, var ievērojami uzlabot ražošanas efektivitāti un drukas kvalitāti, kas var kļūt par lāzera piedevu ražošanas tehnoloģijas attīstības virzienu nākotnē. Staru veidošanas tehnoloģija parasti attiecas uz ieejas staru kūļa viļņu frontes sadalījuma pielāgošanu, lai iegūtu vēlamo intensitātes sadalījumu un izplatīšanās raksturlielumus. Siju formēšanas tehnoloģijas pielietojums metāla piedevu ražošanas tehnoloģijā parādīts 2. attēlā.

Staru veidošanas tehnoloģijas pielietojums lāzera piedevu ražošanā

Tradicionālās Gausa staru drukāšanas trūkumi

Metāla lāzera piedevu ražošanas tehnoloģijā lāzera stara enerģijas sadalījums būtiski ietekmē apdrukāto detaļu kvalitāti. Lai gan Gausa stari ir plaši izmantoti metāla lāzera piedevu ražošanas iekārtās, tiem ir nopietni trūkumi, piemēram, nestabila drukas kvalitāte, zems enerģijas patēriņš un šauri procesa logi piedevu ražošanas procesā. Tostarp pulvera kušanas process un izkausētā baseina dinamika metāla lāzera piedevas procesā ir cieši saistīta ar pulvera slāņa biezumu. Pulvera izšļakstīšanās un erozijas zonu klātbūtnes dēļ faktiskais pulvera slāņa biezums ir lielāks nekā teorētiski paredzēts. Otrkārt, tvaika kolonna izraisīja galvenās atpakaļgaitas strūklas šļakatas. Metāla tvaiki saduras ar aizmugurējo sienu, veidojot šļakatas, kuras tiek izsmidzinātas gar priekšējo sienu perpendikulāri izkausētā baseina ieliektajai zonai (kā parādīts 3. attēlā). Sarežģītās mijiedarbības starp lāzera staru un šļakatām dēļ izšļakstītie šļakatas var nopietni ietekmēt nākamo pulvera slāņu drukas kvalitāti. Turklāt atslēgas caurumu veidošanās kušanas baseinā nopietni ietekmē arī apdrukāto detaļu kvalitāti. Apdrukātā gabala iekšējās poras galvenokārt izraisa nestabili bloķēšanas caurumi.

Siju formēšanas tehnoloģijas defektu veidošanās mehānisms

Staru veidošanas tehnoloģija var sasniegt veiktspējas uzlabojumus vairākās dimensijās vienlaikus, kas atšķiras no Gausa sijām, kas uzlabo veiktspēju vienā dimensijā, zaudējot citas dimensijas. Siju veidošanas tehnoloģija var precīzi pielāgot kausējuma baseina temperatūras sadalījumu un plūsmas raksturlielumus. Kontrolējot lāzera enerģijas sadalījumu, tiek iegūts samērā stabils kausētais baseins ar nelielu temperatūras gradientu. Atbilstoša lāzera enerģijas sadale ir izdevīga porainības un izsmidzināšanas defektu novēršanai un lāzerdrukas kvalitātes uzlabošanai uz metāla daļām. Tas var sasniegt dažādus ražošanas efektivitātes un pulvera izmantošanas uzlabojumus. Tajā pašā laikā staru veidošanas tehnoloģija nodrošina mums vairāk apstrādes stratēģiju, ievērojami atbrīvojot procesu dizaina brīvību, kas ir revolucionārs progress lāzera piedevu ražošanas tehnoloģijā.