Технология лазерного аддитивного производства (АМ), благодаря своим преимуществам высокой точности изготовления, гибкости и степени автоматизации, широко используется в производстве ключевых компонентов в таких областях, как автомобилестроение, медицина, аэрокосмическая промышленность и др. (например, форсунки ракетного топлива, кронштейны спутниковых антенн, имплантаты для человека и др.). Эта технология позволяет значительно улучшить характеристики печатных деталей за счет интегрированного производства структуры и свойств материала. В настоящее время в технологии лазерного аддитивного производства обычно используется сфокусированный гауссовый луч с высоким распределением энергии в центре и низким распределением энергии по краям. Однако это часто приводит к возникновению высоких температурных градиентов в расплаве, что впоследствии вызывает образование пор и крупных зерен. Технология формирования луча — это новый метод решения этой проблемы, который повышает эффективность и качество печати за счет регулирования распределения энергии лазерного луча.
По сравнению с традиционными методами вычитания и аналогичными технологиями производства, технология аддитивного производства металлов обладает такими преимуществами, как короткий производственный цикл, 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. Основанная на принципе дискретного послойного нанесения, технология аддитивного производства металлов использует источник энергии (например, лазер, дуговой разряд или электронный луч) для расплавления порошка или проволоки, а затем послойно наносит их для изготовления целевого компонента. Эта технология имеет значительные преимущества при производстве небольших партий, сложных конструкций или деталей по индивидуальному заказу. Материалы, которые невозможно или сложно обрабатывать традиционными методами, также подходят для изготовления с использованием методов аддитивного производства. Благодаря вышеперечисленным преимуществам, технология аддитивного производства привлекла широкое внимание ученых как внутри страны, так и за рубежом. За последние несколько десятилетий технология аддитивного производства добилась 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 развивается быстрее всех среди трех упомянутых выше технологий аддитивного производства металлов.
Технология лазерного аддитивного производства металлических изделий может быть дополнительно разделена на LPBF и DED. На рисунке 1 показана типичная схема процессов LPBF и DED. Процесс LPBF, также известный как селективное лазерное плавление (SLM), позволяет изготавливать сложные металлические компоненты путем сканирования высокоэнергетическими лазерными лучами вдоль фиксированной траектории на поверхности порошкового слоя. Затем порошок плавится и затвердевает слой за слоем. Процесс DED в основном включает два процесса печати: лазерное осаждение из расплава и лазерную подачу проволоки в качестве аддитивного производства. Обе эти технологии позволяют напрямую изготавливать и ремонтировать металлические детали путем синхронной подачи металлического порошка или проволоки. По сравнению с LPBF, DED обладает более высокой производительностью и большей площадью обработки. Кроме того, этот метод также позволяет удобно получать композитные материалы и функционально-градиентные материалы. Однако качество поверхности деталей, напечатанных методом DED, всегда низкое, и для повышения точности размеров целевого компонента необходима последующая обработка.
В современном процессе лазерного аддитивного производства источником энергии обычно является сфокусированный гауссовый луч. Однако из-за его уникального распределения энергии (высокая температура в центре, низкая на краю) он может вызывать высокие температурные градиенты и нестабильность расплавленной ванны, что приводит к низкому качеству формования напечатанных деталей. Кроме того, если температура в центре расплавленной ванны слишком высока, это приведет к испарению низкоплавких металлических элементов, что еще больше усугубит нестабильность процесса лазерной аддитивной печати. Следовательно, с увеличением пористости механические свойства и усталостная долговечность напечатанных деталей значительно снижаются. Неравномерное распределение энергии гауссовых лучей также приводит к низкой эффективности использования лазерной энергии и чрезмерным потерям энергии. Для достижения лучшего качества печати ученые начали изучать способы компенсации дефектов гауссовых лучей путем изменения параметров процесса, таких как мощность лазера, скорость сканирования, толщина порошкового слоя и стратегия сканирования, чтобы контролировать возможность подвода энергии. Из-за очень узкого технологического окна этого метода фиксированные физические ограничения ограничивают возможности дальнейшей оптимизации. Например, увеличение мощности лазера и скорости сканирования позволяет достичь высокой эффективности производства, но часто это происходит за счет ухудшения качества печати. В последние годы изменение распределения энергии лазера 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 регулирование распределения волнового фронта входного луча для получения желаемого распределения интенсивности и характеристик распространения. Применение технологии формирования луча в технологии аддитивного производства металлов показано на рисунке 2.
Применение технологии формирования луча в лазерном аддитивном производстве
Недостатки традиционной печати с использованием гауссова пучка
В технологии лазерного аддитивного производства металлов распределение энергии лазерного луча оказывает существенное влияние на качество напечатанных деталей. Хотя гауссовы лучи широко используются в оборудовании для лазерного аддитивного производства металлов, 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 в процессе лазерного аддитивного производства металлов тесно связаны с толщиной порошкового слоя. Из-за наличия зон разбрызгивания и эрозии порошка фактическая толщина порошкового слоя выше, чем теоретически ожидаемая. Во-вторых, паровой столб вызывает основные обратные струйные брызги. Металлический пар сталкивается с задней стенкой, образуя брызги, которые распыляются вдоль передней стенки перпендикулярно вогнутой области расплавленной ванны (как показано на рисунке 3). Из-за сложного взаимодействия между лазерным лучом и брызгами, выбрасываемые брызги могут серьезно повлиять на качество печати последующих порошковых слоев. Кроме того, образование сквозных отверстий в расплавленной ванне также серьезно влияет на качество напечатанных деталей. Внутренние поры напечатанного изделия образуются главным образом из-за нестабильности фиксирующих отверстий.
Механизм образования дефектов в технологии формирования пучка
Технология формирования лазерного луча позволяет одновременно улучшать характеристики в нескольких измерениях, в отличие от гауссовых лучей, которые улучшают характеристики в одном измерении за счет ухудшения других. Технология формирования луча позволяет точно регулировать распределение температуры и характеристики потока расплавленной ванны. Контролируя распределение лазерной энергии, можно получить относительно стабильную расплавленную ванну с небольшим температурным градиентом. Соответствующее распределение лазерной энергии способствует подавлению пористости и дефектов распыления, а также улучшению качества лазерной печати металлических деталей. Это позволяет добиться различных улучшений в эффективности производства и использовании порошка. В то же время технология формирования луча предоставляет больше стратегий обработки, значительно расширяя свободу проектирования процесса, что является революционным прогрессом в технологии лазерного аддитивного производства.
Дата публикации: 28 февраля 2024 г.
