Technologie laserové aditivní výroby (AM) se svými výhodami vysoké výrobní přesnosti, silné flexibility a vysokého stupně automatizace je široce používána při výrobě klíčových součástí v oborech, jako je automobilový průmysl, lékařství, letectví atd. (jako jsou rakety palivové trysky, držáky satelitní antény, lidské implantáty atd.). Tato technologie může výrazně zlepšit kombinační výkon tištěných dílů prostřednictvím integrované výroby struktury materiálu a výkonu. V současné době technologie laserové aditivní výroby obecně využívá zaostřený Gaussův paprsek s vysokým středem a nízkou distribucí energie na okraji. Často však generuje vysoké tepelné gradienty v tavenině, což vede k následné tvorbě pórů a hrubých zrn. Technologie tvarování paprsku je novou metodou k řešení tohoto problému, která zlepšuje efektivitu a kvalitu tisku úpravou distribuce energie laserového paprsku.
Ve srovnání s tradičním odečítáním a ekvivalentní výrobou má technologie výroby kovových přísad výhody, jako je krátká doba výrobního cyklu, vysoká přesnost zpracování, vysoká míra využití materiálu a dobrý celkový výkon dílů. Technologie výroby kovových přísad je proto široce používána v průmyslových odvětvích, jako je letecký průmysl, zbraně a vybavení, jaderná energetika, biofarmaceutika a automobily. Na principu diskrétního vrstvení využívá výroba aditivních kovů zdroj energie (jako je laser, oblouk nebo elektronový paprsek) k roztavení prášku nebo drátu a poté je skládá vrstvu po vrstvě za účelem výroby cílové součásti. Tato technologie má významné výhody při výrobě malých sérií, složitých struktur nebo personalizovaných dílů. Materiály, které nelze nebo je obtížné zpracovat tradičními technikami, jsou také vhodné pro přípravu pomocí aditivních výrobních metod. Díky výše uvedeným výhodám přitáhla technologie aditivní výroby širokou pozornost odborníků na domácí i mezinárodní úrovni. V posledních několika desetiletích zaznamenala technologie aditivní výroby rychlý pokrok. Díky automatizaci a flexibilitě zařízení pro výrobu laserových aditiv, stejně jako komplexním výhodám vysoké hustoty laserové energie a vysoké přesnosti zpracování, se technologie laserové aditivní výroby vyvinula nejrychleji ze tří výše uvedených technologií výroby kovových aditiv.
Technologie laserové aditivní výroby kovů lze dále rozdělit na LPBF a DED. Obrázek 1 ukazuje typický schematický diagram LPBF a DED procesů. Proces LPBF, také známý jako selektivní laserové tavení (SLM), dokáže vyrábět složité kovové součásti skenováním vysokoenergetických laserových paprsků podél pevné dráhy na povrchu práškového lože. Poté se prášek roztaví a tuhne vrstvu po vrstvě. Proces DED zahrnuje především dva tiskové procesy: nanášení laserovým tavením a výrobu aditiv pro podávání laserového drátu. Obě tyto technologie mohou přímo vyrábět a opravovat kovové díly synchronním podáváním kovového prášku nebo drátu. Ve srovnání s LPBF má DED vyšší produktivitu a větší výrobní plochu. Kromě toho lze touto metodou také pohodlně připravit kompozitní materiály a funkčně odstupňované materiály. Kvalita povrchu dílů vytištěných DED je však vždy špatná a pro zlepšení rozměrové přesnosti cílové součásti je nutné následné zpracování.
V současném procesu výroby laserových aditiv je fokusovaný Gaussův paprsek obvykle zdrojem energie. Vzhledem ke své jedinečné distribuci energie (vysoký střed, nízký okraj) však pravděpodobně způsobí vysoké teplotní gradienty a nestabilitu lázně taveniny. Výsledkem je špatná kvalita tvarování tištěných dílů. Navíc, pokud je středová teplota roztavené lázně příliš vysoká, způsobí to odpařování kovových prvků s nízkou teplotou tání, což dále zhorší nestabilitu procesu LBPF. Proto se s nárůstem pórovitosti výrazně snižují mechanické vlastnosti a únavová životnost tištěných dílů. Nerovnoměrné rozložení energie Gaussových paprsků také vede k nízké účinnosti využití energie laseru a nadměrnému plýtvání energií. Aby bylo dosaženo lepší kvality tisku, začali vědci zkoumat kompenzaci defektů Gaussových paprsků úpravou parametrů procesu, jako je výkon laseru, rychlost skenování, tloušťka vrstvy prášku a strategie skenování, aby bylo možné kontrolovat možnost vstupu energie. Vzhledem k velmi úzkému oknu zpracování této metody omezují pevná fyzická omezení možnost další optimalizace. Například zvýšení výkonu laseru a rychlosti skenování může dosáhnout vysoké efektivity výroby, ale často jde za cenu obětování kvality tisku. V posledních letech může změna distribuce laserové energie prostřednictvím strategií tvarování paprsku výrazně zlepšit efektivitu výroby a kvalitu tisku, což se může stát budoucím směrem vývoje technologie laserové aditivní výroby. Technologie tvarování paprsku obecně odkazuje na úpravu rozložení čela vlny vstupního paprsku, aby se získalo požadované rozložení intenzity a charakteristiky šíření. Aplikace technologie tvarování paprsku v technologii aditivní výroby kovů je znázorněna na obrázku 2.
Aplikace technologie tvarování paprsku v laserové aditivní výrobě
Nedostatky tradičního tisku Gaussovým paprskem
V technologii kovové laserové aditivní výroby má rozložení energie laserového paprsku významný vliv na kvalitu tištěných dílů. Ačkoli Gaussovy paprsky byly široce používány v zařízeních pro výrobu kovových laserových aditiv, trpí vážnými nedostatky, jako je nestabilní kvalita tisku, nízká spotřeba energie a úzká procesní okna v procesu aditivní výroby. Mezi nimi proces tavení prášku a dynamika roztavené lázně během procesu aditivace kovu laserem úzce souvisí s tloušťkou vrstvy prášku. V důsledku přítomnosti rozstřikujících se a erozních zón je skutečná tloušťka vrstvy prášku vyšší, než teoretická očekávání. Za druhé, sloupec páry způsobil šplouchání hlavního zpětného proudu. Pára kovu se sráží se zadní stěnou a vytváří rozstřiky, které jsou rozstřikovány podél přední stěny kolmo na konkávní oblast roztavené lázně (jak je znázorněno na obrázku 3). V důsledku složité interakce mezi laserovým paprskem a rozstřiky mohou vyvržené rozstřiky vážně ovlivnit kvalitu tisku následných práškových vrstev. Kromě toho vytváření klíčových dírek v tavenině také vážně ovlivňuje kvalitu tištěných dílů. Vnitřní póry potištěného kusu jsou způsobeny především nestabilními zajišťovacími otvory.
Mechanismus vzniku defektů v technologii tvarování paprsků
Technologie tvarování paprsku může dosáhnout zlepšení výkonu ve více rozměrech současně, což se liší od Gaussových paprsků, které zlepšují výkon v jednom rozměru za cenu obětování rozměrů jiných. Technologie tvarování paprsku dokáže přesně upravit rozložení teploty a charakteristiky proudění v tavenině. Řízením distribuce laserové energie se získá relativně stabilní roztavená lázeň s malým teplotním gradientem. Vhodné rozložení energie laseru je výhodné pro potlačení pórovitosti a defektů rozprašování a zlepšení kvality laserového tisku na kovové díly. Může dosáhnout různých zlepšení efektivity výroby a využití prášku. Technologie tvarování paprsku nám zároveň poskytuje více strategií zpracování, což značně osvobozuje svobodu navrhování procesu, což je revoluční pokrok v technologii laserové aditivní výroby.
Čas odeslání: 28. února 2024
