Technologie laserové aditivní výroby (AM) se svými výhodami vysoké přesnosti výroby, vysoké flexibility a vysokého stupně automatizace široce používá při výrobě klíčových komponentů v oblastech, jako je automobilový průmysl, lékařství, letecký průmysl atd. (jako jsou trysky raketového paliva, držáky satelitních antén, lidské implantáty atd.). Tato technologie může výrazně zlepšit kombinovaný výkon tištěných dílů prostřednictvím integrované výroby materiálové struktury a vlastností. V současné době technologie laserové aditivní výroby obecně využívá zaostřený Gaussův paprsek s vysokým rozložením energie ve středu a nízkým rozložením 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 řešení tohoto problému, která zlepšuje efektivitu a kvalitu tisku úpravou rozložení energie laserového paprsku.
Ve srovnání s tradiční subtrakční a ekvivalentní výrobou má technologie aditivní výroby kovů výhody, jako je krátký výrobní cyklus, vysoká přesnost zpracování, vysoká míra využití materiálu a dobrý celkový výkon dílů. Technologie aditivní výroby kovů se proto široce používá v odvětvích, jako je letecký a kosmický průmysl, zbraně a vybavení, jaderná energie, biofarmaceutika a automobily. Na základě principu diskrétního stohování využívá aditivní výroba kovů zdroj energie (například laser, oblouk nebo elektronový paprsek) k roztavení prášku nebo drátu a následnému jejich stohování vrstvu po vrstvě za účelem výroby cílové součásti. Tato technologie má významné výhody při výrobě malých dávek, složitých struktur nebo personalizovaných dílů. Materiály, které nelze nebo je obtížné zpracovat tradičními technikami, jsou také vhodné pro přípravu pomocí metod aditivní výroby. Díky výše uvedeným výhodám přitahuje technologie aditivní výroby širokou pozornost vědců v tuzemsku i v zahraničí. V posledních několika desetiletích dosáhla technologie aditivní výroby rychlého pokroku. Díky automatizaci a flexibilitě zařízení pro laserovou aditivní výrobu, stejně jako komplexním výhodám vysoké hustoty laserové energie a vysoké přesnosti zpracování, se technologie laserové aditivní výroby rozvíjela nejrychleji ze tří výše uvedených technologií aditivní výroby kovů.
Technologie aditivní výroby laserem lze dále rozdělit na LPBF a DED. Obrázek 1 znázorňuje typické schematické znázornění procesů LPBF a DED. Proces LPBF, známý také jako selektivní laserové tavení (SLM), umožňuje vyrábět složité kovové součásti skenováním vysokoenergetických laserových paprsků podél pevné dráhy na povrchu práškového lože. Prášek se poté taví a tuhne vrstvu po vrstvě. Proces DED zahrnuje hlavně dva tiskové procesy: laserové tavení a nanášení a aditivní výrobu s podáváním laserového drátu. Obě tyto technologie umožňují přímo vyrábět a opravovat kovové součásti synchronním podáváním kovového prášku nebo drátu. Ve srovnání s LPBF má DED vyšší produktivitu a větší výrobní plochu. Tato metoda navíc umožňuje také pohodlně připravovat kompozitní materiály a funkčně stupňovité materiály. Kvalita povrchu dílů tištěných metodou DED je však vždy špatná a pro zlepšení rozměrové přesnosti cílové součásti je nutné následné zpracování.
V současném procesu laserové aditivní výroby je zdrojem energie obvykle zaostřený Gaussův paprsek. Vzhledem k jeho jedinečnému rozložení energie (vysoký střed, nízký okraj) však pravděpodobně způsobí vysoké teplotní gradienty a nestabilitu taveniny. To má za následek špatnou kvalitu tvarování tištěných dílů. Kromě toho, pokud je středová teplota taveniny příliš vysoká, způsobí to odpařování kovových prvků s nízkým bodem tání, což dále zhoršuje nestabilitu procesu LBPF. Se zvyšující se pórovitostí se proto výrazně snižují mechanické vlastnosti a únavová životnost tištěných dílů. Nerovnoměrné rozložení energie Gaussových paprsků vede také k nízké účinnosti využití laserové energie a nadměrnému plýtvání energií. Aby se dosáhlo lepší kvality tisku, vědci začali zkoumat kompenzaci vad Gaussových paprsků úpravou procesních parametrů, jako je výkon laseru, rychlost skenování, tloušťka práškové vrstvy a strategie skenování, aby se řídila možnost vstupu energie. Vzhledem k velmi úzkému oknu zpracování této metody omezují pevná fyzikální omezení možnosti další optimalizace. Například zvýšení výkonu laseru a rychlosti skenování může dosáhnout vysoké efektivity výroby, ale často je to za cenu obětování kvality tisku. V posledních letech může změna distribuce laserové energie pomocí strategií tvarování paprsku výrazně zlepšit efektivitu výroby a kvalitu tisku, což se může stát budoucím směrem vývoje technologie aditivní výroby laserem. Technologie tvarování paprsku se obecně vztahuje k úpravě rozložení vlnoplochy vstupního paprsku za účelem dosažení požadovaných charakteristik rozložení intenzity a 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 aditivní výroby kovů laserem má rozložení energie laserového paprsku významný vliv na kvalitu tištěných dílů. Ačkoli se Gaussovy paprsky široce používají v zařízeních pro aditivní výrobu kovů laserem, trpí vážnými nevýhodami, jako je nestabilní kvalita tisku, nízké využití energie a úzká procesní okna v procesu aditivní výroby. Mezi ně patří proces tavení prášku a dynamika roztavené lázně během procesu aditivní výroby kovem, které úzce souvisí s tloušťkou vrstvy prášku. Vzhledem k přítomnosti zón rozstřiku a eroze prášku je skutečná tloušťka vrstvy prášku vyšší než teoretické očekávání. Za druhé, sloupec páry způsobil hlavní zpětné tryskání. Kovová pára se sráží se zadní stěnou a vytváří rozstřiky, které jsou rozstřikovány podél přední stěny kolmo k konkávní oblasti roztavené lázně (jak je znázorněno na obrázku 3). Vzhledem ke komplexní interakci mezi laserovým paprskem a rozstřiky mohou vymrštěné rozstřiky vážně ovlivnit kvalitu tisku následných vrstev prášku. Kromě toho tvorba klíčových otvorů v tavenině také vážně ovlivňuje kvalitu tištěných dílů. Vnitřní póry tištěného dílu jsou způsobeny především nestabilními zajišťovacími otvory.
Mechanismus vzniku defektů v technologii tvarování paprsku
Technologie tvarování paprsku může dosáhnout zlepšení výkonu ve více dimenzích současně, což se liší od gaussovských paprsků, které zlepšují výkon v jedné dimenzi za cenu obětování jiných dimenzí. Technologie tvarování paprsku dokáže přesně upravit rozložení teploty a charakteristiky proudění taveniny. Řízením rozložení laserové energie se získá relativně stabilní tavenina s malým teplotním gradientem. Vhodné rozložení laserové energie je prospěšné pro potlačení pórovitosti a vad rozprašování a pro zlepšení kvality laserového tisku na kovové díly. Může dosáhnout různých zlepšení v efektivitě výroby a využití prášku. Zároveň nám technologie tvarování paprsku poskytuje více strategií zpracování, což výrazně osvobozuje svobodu návrhu procesů, což představuje revoluční pokrok v technologii laserové aditivní výroby.
Čas zveřejnění: 28. února 2024
