Lāzera aditīvās ražošanas (AM) tehnoloģija, pateicoties tās priekšrocībām, ko sniedz augsta ražošanas precizitāte, spēcīga elastība un augsta automatizācijas pakāpe, tiek plaši izmantota galveno komponentu ražošanā tādās jomās kā autobūve, medicīna, kosmosa u.c. (piemēram, raķešu degvielas sprauslas, satelītantenu kronšteini, cilvēku implanti u.c.). Šī tehnoloģija var ievērojami uzlabot drukāto detaļu kombinēto veiktspēju, izmantojot materiālu struktūras un veiktspējas integrētu ražošanu. Pašlaik lāzera aditīvās ražošanas tehnoloģija parasti izmanto fokusētu Gausa staru kūli ar augstu centra un zemu malu enerģijas sadalījumu. Tomēr tā bieži rada augstus termiskos gradientus kausējumā, kas noved pie poru un rupju graudu veidošanās. 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 līdzvērtīgo ražošanu, metāla aditīvās ražošanas tehnoloģijai ir tādas priekšrocības kā īss ražošanas cikla laiks, augsta apstrādes precizitāte, augsts materiālu izmantošanas līmenis un laba detaļu kopējā veiktspēja. Tāpēc metāla aditīvās ražošanas tehnoloģija tiek plaši izmantota tādās nozarēs kā aviācija, ieroču un aprīkojuma ražošana, kodolenerģija, biofarmācija un automobiļi. Pamatojoties uz diskrētas sakraušanas principu, metāla aditīvajā ražošanā tiek izmantots enerģijas avots (piemēram, lāzers, loks vai elektronu stars), lai izkausētu pulveri vai stiepli, un pēc tam tos sakrauj slāni pa slānim, lai izgatavotu mērķa komponentu. Šai tehnoloģijai ir ievērojamas priekšrocības mazu partiju, sarežģītu struktūru vai personalizētu detaļu ražošanā. Materiāli, kurus nevar vai ir grūti apstrādāt, izmantojot tradicionālās metodes, ir piemēroti arī sagatavošanai, izmantojot aditīvās ražošanas metodes. Iepriekš minēto priekšrocību dēļ aditīvās ražošanas tehnoloģija ir piesaistījusi plašu zinātnieku uzmanību gan vietējā, gan starptautiskā mērogā. Pēdējās desmitgadēs aditīvās ražošanas tehnoloģija ir strauji attīstījusies. Pateicoties lāzera aditīvās ražošanas iekārtu automatizācijai un elastībai, kā arī visaptverošajām priekšrocībām, ko sniedz augsts lāzera enerģijas blīvums un augsta apstrādes precizitāte, lāzera aditīvās ražošanas tehnoloģija ir attīstījusies visstraujāk no trim iepriekš minētajām metālu aditīvās ražošanas tehnoloģijām.
Lāzera metāla aditīvās ražošanas tehnoloģiju var tālāk iedalīt LPBF un DED tehnoloģijās. 1. attēlā parādīta tipiska LPBF un DED procesu shematiska diagramma. LPBF process, kas pazīstams arī kā selektīvā lāzera kausēšana (SLM), var ražot sarežģītas metāla detaļas, skenējot augstas enerģijas lāzera starus pa fiksētu ceļu uz pulvera virsmas. Pēc tam pulveris slāni pa slānim kūst un sacietē. DED process galvenokārt ietver divus drukas procesus: lāzera kausēšanas uzklāšanu un lāzera stieples padeves aditīvo ražošanu. Abas šīs tehnoloģijas var tieši ražot un remontēt metāla detaļas, sinhroni padodot metāla pulveri vai stiepli. Salīdzinot ar LPBF, DED ir augstāka produktivitāte un lielāka ražošanas platība. Turklāt šī metode var ērti sagatavot arī kompozītmateriālus un funkcionāli graduētus materiālus. Tomēr ar DED drukāto detaļu virsmas kvalitāte vienmēr ir slikta, un ir nepieciešama turpmāka apstrāde, lai uzlabotu mērķa komponenta izmēru precizitāti.
Pašreizējā lāzera aditīvās ražošanas procesā fokusēts Gausa stars parasti ir enerģijas avots. Tomēr tā unikālā enerģijas sadalījuma dēļ (augsts centrs, zema mala) tas, visticamāk, izraisīs augstus termiskos gradientus un kausējuma baseina nestabilitāti. Kā rezultātā drukāto detaļu formēšanas kvalitāte ir slikta. Turklāt, ja kausējuma baseina centra temperatūra ir pārāk augsta, tas izraisīs zemas kušanas temperatūras metāla elementu iztvaikošanu, vēl vairāk saasinot LBPF procesa nestabilitāti. Tādēļ, palielinoties porainībai, ievērojami samazinās drukāto detaļu mehāniskās īpašības un noguruma izturība. Gausa staru nevienmērīgais enerģijas sadalījums noved arī pie zemas lāzera enerģijas izmantošanas efektivitātes un pārmērīgiem enerģijas izšķērdēšanas. Lai sasniegtu labāku drukas kvalitāti, zinātnieki ir sākuši pētīt Gausa staru defektu kompensēšanu, modificējot procesa parametrus, piemēram, lāzera jaudu, skenēšanas ātrumu, pulvera slāņa biezumu un skenēšanas stratēģiju, lai kontrolētu enerģijas ievades iespējamību. Šīs metodes ļoti šaurā apstrādes loga dēļ fiksētie fizikālie ierobežojumi ierobežo turpmākas optimizācijas iespējas. Piemēram, palielinot lāzera jaudu un skenēšanas ātrumu, var panākt augstu ražošanas efektivitāti, taču bieži vien tas notiek uz drukas kvalitātes upurēšanas rēķina. Pēdējos gados lāzera enerģijas sadalījuma maiņa, izmantojot staru veidošanas stratēģijas, var ievērojami uzlabot ražošanas efektivitāti un drukas kvalitāti, kas varētu kļūt par lāzera aditīvās ražošanas tehnoloģijas nākotnes attīstības virzienu. Staru veidošanas tehnoloģija parasti attiecas uz ieejas staru viļņu frontes sadalījuma pielāgošanu, lai iegūtu vēlamo intensitātes sadalījumu un izplatīšanās raksturlielumus. Staru veidošanas tehnoloģijas pielietojums metālu aditīvās ražošanas tehnoloģijā ir parādīts 2. attēlā.
Staru veidošanas tehnoloģijas pielietojums lāzera aditīvajā ražošanā
Tradicionālās Gausa staru drukāšanas trūkumi
Metāla lāzera aditīvās ražošanas tehnoloģijā lāzera stara enerģijas sadalījums būtiski ietekmē drukāto detaļu kvalitāti. Lai gan Gausa stari ir plaši izmantoti metāla lāzera aditīvās ražošanas iekārtās, tiem ir nopietni trūkumi, piemēram, nestabila drukas kvalitāte, zema enerģijas izmantošana un šauri procesa logi aditīvās ražošanas procesā. Starp tiem pulvera kušanas process un izkausētās pulvera tvertnes dinamika metāla lāzera aditīvās ražošanas procesā ir cieši saistīta ar pulvera slāņa biezumu. Pulvera šļakatu un erozijas zonu klātbūtnes dēļ faktiskais pulvera slāņa biezums ir lielāks nekā teorētiski paredzamais. Otrkārt, tvaika kolonna izraisīja galvenās atpakaļejošās strūklas šļakatas. Metāla tvaiki saduras ar aizmugurējo sienu, veidojot šļakatas, kas tiek izsmidzinātas gar priekšējo sienu perpendikulāri izkausētās pulvera tvertnes ieliektajai daļai (kā parādīts 3. attēlā). Sarežģītās mijiedarbības dēļ starp lāzera staru un šļakatām, izmestās šļakatas var nopietni ietekmēt nākamo pulvera slāņu drukas kvalitāti. Turklāt atslēgas caurumu veidošanās kausējuma tvertnē arī nopietni ietekmē drukāto detaļu kvalitāti. Drukātās detaļas iekšējās poras galvenokārt rodas nestabilu fiksācijas caurumu dēļ.
Defektu veidošanās mehānisms staru kūļa veidošanas tehnoloģijā
Staru veidošanas tehnoloģija var vienlaikus uzlabot veiktspēju vairākās dimensijās, kas atšķiras no Gausa stariem, kas uzlabo veiktspēju vienā dimensijā, upurējot citas dimensijas. Staru veidošanas tehnoloģija var precīzi pielāgot kausējuma vannas temperatūras sadalījumu un plūsmas raksturlielumus. Kontrolējot lāzera enerģijas sadalījumu, tiek iegūts relatīvi stabils kausējuma baseins ar nelielu temperatūras gradientu. Atbilstošs lāzera enerģijas sadalījums ir labvēlīgs porainības un izsmidzināšanas defektu novēršanai, kā arī lāzerdrukas kvalitātes uzlabošanai uz metāla detaļām. Tā var panākt dažādus uzlabojumus ražošanas efektivitātē un pulvera izmantošanā. Vienlaikus staru veidošanas tehnoloģija sniedz mums vairāk apstrādes stratēģiju, ievērojami atbrīvojot procesa dizaina brīvību, kas ir revolucionārs progress lāzera aditīvās ražošanas tehnoloģijā.
Publicēšanas laiks: 2024. gada 28. februāris
