Технология лазерного аддитивного производства (АМ) с ее преимуществами высокой точности изготовления, высокой гибкости и высокой степени автоматизации широко используется при производстве ключевых компонентов в таких областях, как автомобилестроение, медицина, аэрокосмическая промышленность и т. д. (например, ракетостроение). топливные форсунки, кронштейны спутниковых антенн, человеческие имплантаты и т. д.).Эта технология может значительно улучшить комбинированные характеристики печатных деталей за счет интегрированного производства структуры и производительности материала.В настоящее время в технологии лазерного аддитивного производства обычно используется сфокусированный гауссов луч с высоким распределением энергии по центру и нижнему краю.Однако при этом часто возникают высокие температурные градиенты в расплаве, приводящие к последующему образованию пор и крупных зерен.Технология формирования луча — новый метод решения этой проблемы, который повышает эффективность и качество печати за счет регулирования распределения энергии лазерного луча.
По сравнению с традиционным вычитанием и эквивалентным производством технология аддитивного производства металлов имеет такие преимущества, как короткое время производственного цикла, высокая точность обработки, высокий коэффициент использования материала и хорошие общие характеристики деталей.Поэтому технология аддитивного производства металлов широко используется в таких отраслях, как аэрокосмическая промышленность, производство оружия и оборудования, атомная энергетика, биофармацевтика и автомобилестроение.Основываясь на принципе дискретной укладки, аддитивное производство металлов использует источник энергии (например, лазер, дугу или электронный луч) для плавления порошка или проволоки, а затем укладывает их слой за слоем для изготовления целевого компонента.Эта технология имеет значительные преимущества при производстве небольших партий, сложных конструкций или индивидуальных деталей.Материалы, которые невозможно или трудно обрабатывать традиционными методами, также подходят для получения методами аддитивного производства.Благодаря вышеуказанным преимуществам технология аддитивного производства привлекла широкое внимание ученых как внутри страны, так и за рубежом.За последние несколько десятилетий технологии аддитивного производства добились быстрого прогресса.Благодаря автоматизации и гибкости оборудования для лазерного аддитивного производства, а также комплексным преимуществам высокой плотности лазерной энергии и высокой точности обработки, технология лазерного аддитивного производства развивалась быстрее всего среди трех упомянутых выше технологий аддитивного производства металлов.
Технологии лазерного аддитивного производства металлов можно разделить на LPBF и DED.На рисунке 1 показана типичная принципиальная схема процессов LPBF и DED.Процесс LPBF, также известный как селективное лазерное плавление (SLM), позволяет производить сложные металлические компоненты путем сканирования высокоэнергетических лазерных лучей по фиксированной траектории на поверхности слоя порошка.Затем порошок плавится и затвердевает слой за слоем.Процесс DED в основном включает в себя два процесса печати: осаждение лазерным плавлением и аддитивное производство с лазерной подачей проволоки.Обе эти технологии позволяют напрямую производить и ремонтировать металлические детали путем синхронной подачи металлического порошка или проволоки.По сравнению с LPBF, DED имеет более высокую производительность и большую производственную площадь.Кроме того, с помощью этого метода можно также удобно получать композиционные материалы и материалы с функциональной классификацией.Однако качество поверхности деталей, напечатанных методом DED, всегда плохое, и для повышения точности размеров целевого компонента необходима последующая обработка.
В современном процессе лазерного аддитивного производства источником энергии обычно является сфокусированный гауссов пучок.Однако из-за его уникального распределения энергии (высокий центр, нижний край) это может вызвать высокие температурные градиенты и нестабильность ванны расплава.Результатом является плохое качество формовки печатных деталей.Кроме того, если центральная температура ванны расплава слишком высока, это приведет к испарению металлических элементов с низкой температурой плавления, что еще больше усугубляет нестабильность процесса LBPF.Поэтому с увеличением пористости механические свойства и усталостная долговечность печатных деталей существенно снижаются.Неравномерное распределение энергии гауссовых пучков также приводит к низкой эффективности использования лазерной энергии и чрезмерным потерям энергии.Чтобы добиться лучшего качества печати, ученые начали изучать возможность компенсации дефектов гауссовых лучей путем изменения параметров процесса, таких как мощность лазера, скорость сканирования, толщина слоя порошка и стратегия сканирования, чтобы контролировать возможность ввода энергии.Из-за очень узкого окна обработки этого метода фиксированные физические ограничения ограничивают возможность дальнейшей оптимизации.Например, увеличение мощности лазера и скорости сканирования может обеспечить высокую эффективность производства, но часто приходится жертвовать качеством печати.В последние годы изменение распределения лазерной энергии с помощью стратегий формирования луча может значительно повысить эффективность производства и качество печати, что может стать будущим направлением развития технологии лазерного аддитивного производства.Технология формирования луча обычно подразумевает регулировку распределения волнового фронта входного луча для получения желаемого распределения интенсивности и характеристик распространения.Применение технологии формирования балок в технологии аддитивного производства металлов показано на рисунке 2.
Применение технологии формирования луча в лазерном аддитивном производстве
Недостатки традиционной гауссовской лучевой печати
В технологии аддитивного лазерного производства металлов распределение энергии лазерного луча оказывает существенное влияние на качество печатных деталей.Хотя гауссовы лучи широко используются в оборудовании для аддитивного производства лазеров на металлах, они имеют серьезные недостатки, такие как нестабильное качество печати, низкое энергопотребление и узкие технологические окна в процессе аддитивного производства.Среди них процесс плавления порошка и динамика расплавленной ванны во время процесса лазерной добавки металла тесно связаны с толщиной слоя порошка.Из-за наличия зон разбрызгивания и эрозии порошка фактическая толщина слоя порошка превышает теоретическую.Во-вторых, столб пара вызывал основные выплески струи назад.Пары металла сталкиваются с задней стенкой, образуя брызги, которые распыляются вдоль передней стенки перпендикулярно вогнутой области ванны расплава (как показано на рисунке 3).Из-за сложного взаимодействия лазерного луча с брызгами выбрасываемые брызги могут серьезно повлиять на качество печати последующих слоев порошка.Кроме того, образование замочных скважин в ванне расплава также серьезно влияет на качество печатаемых деталей.Внутренние поры напечатанного изделия в основном возникают из-за нестабильных фиксирующих отверстий.
Механизм образования дефектов в технологии формирования балок
Технология формирования луча может обеспечить улучшение производительности в нескольких измерениях одновременно, что отличается от гауссовских лучей, которые улучшают производительность в одном измерении за счет принесения в жертву других измерений.Технология формирования луча позволяет точно регулировать распределение температуры и характеристики потока ванны расплава.Контролируя распределение лазерной энергии, получают относительно стабильную ванну расплава с небольшим градиентом температуры.Соответствующее распределение лазерной энергии полезно для подавления пористости и дефектов распыления, а также для улучшения качества лазерной печати на металлических деталях.Это позволяет добиться различных улучшений в эффективности производства и использовании порошка.В то же время технология формирования луча предоставляет нам больше стратегий обработки, значительно освобождая свободу проектирования процессов, что является революционным прогрессом в технологии лазерного аддитивного производства.
Время публикации: 28 февраля 2024 г.
