A lézeres additív gyártási (AM) technológiát, amelynek előnyei a nagy gyártási pontosság, nagy rugalmasság és nagyfokú automatizálás, széles körben használják kulcsfontosságú alkatrészek gyártásában olyan területeken, mint az autóipar, az orvostudomány, a repülőgépipar stb. (például rakétagyártás). tüzelőanyag-fúvókák, műholdantenna-tartók, emberi implantátumok stb.). Ez a technológia nagymértékben javíthatja a nyomtatott alkatrészek kombinációs teljesítményét az anyagszerkezet és a teljesítmény integrált gyártása révén. Jelenleg a lézeradalékos gyártástechnológia általában fókuszált Gauss-sugarat alkalmaz, magas középponttal és alacsony szélű energiaeloszlással. Azonban gyakran nagy termikus gradienseket hoz létre az olvadékban, ami ezt követően pórusok és durva szemcsék kialakulásához vezet. A sugáralakító technológia egy új módszer ennek a problémának a megoldására, amely a lézersugár energiaeloszlásának beállításával javítja a nyomtatás hatékonyságát és minőségét.
A hagyományos kivonáshoz és az egyenértékű gyártással összehasonlítva a fémadalékos gyártástechnológiának olyan előnyei vannak, mint a rövid gyártási ciklusidő, a nagy feldolgozási pontosság, a magas anyagfelhasználási arány és az alkatrészek jó általános teljesítménye. Ezért a fémadalékos gyártási technológiát széles körben használják olyan iparágakban, mint a repülőgépgyártás, a fegyverek és berendezések, az atomenergia, a biogyógyszergyártás és az autóipar. A diszkrét egymásra rakás elve alapján a fémadalékos gyártás energiaforrást (például lézert, ívet vagy elektronsugarat) használ a por vagy huzal megolvasztására, majd rétegenként egymásra rakva a célkomponens gyártásához. Ennek a technológiának jelentős előnyei vannak kis tételek, összetett szerkezetek vagy személyre szabott alkatrészek gyártásában. A hagyományos technikákkal nem vagy nehezen feldolgozható anyagok is alkalmasak az additív gyártási módszerekkel történő előállításra. A fenti előnyöknek köszönhetően az additív gyártástechnológia mind hazai, mind nemzetközileg felkeltette a tudósok széles körű figyelmét. Az elmúlt néhány évtizedben az additív gyártástechnológia gyors fejlődésen ment keresztül. A lézeradalékanyag-gyártó berendezések automatizálásának és rugalmasságának, valamint a nagy lézerenergia-sűrűség és a nagy feldolgozási pontosság átfogó előnyeinek köszönhetően a lézeradalékos gyártástechnológia fejlődött a leggyorsabban a fent említett három fémadalék gyártási technológia közül.
A lézeres fémadalékos gyártástechnológia tovább osztható LPBF-re és DED-re. Az 1. ábra az LPBF és DED folyamatok tipikus sematikus diagramját mutatja. Az LPBF-eljárás, más néven Selective Laser Melting (SLM), összetett fémalkatrészek előállítására képes nagy energiájú lézersugarak pásztázásával a porágy felületén rögzített pályán. Ezután a por megolvad és rétegről rétegre megszilárdul. A DED-eljárás főként két nyomtatási eljárást foglal magában: lézeres olvasztásos leválasztást és lézeres huzalelőtoló adalékgyártást. Mindkét technológia közvetlenül gyárthat és javíthat fém alkatrészeket fémpor vagy huzal szinkron adagolásával. Az LPBF-hez képest a DED nagyobb termelékenységgel és nagyobb gyártási területtel rendelkezik. Ezenkívül ezzel a módszerrel kényelmesen lehet kompozit anyagokat és funkcionálisan osztályozott anyagokat is előállítani. A DED által nyomtatott alkatrészek felületi minősége azonban mindig rossz, és utólagos feldolgozásra van szükség a célkomponens méretpontosságának javításához.
A jelenlegi lézeradalékos gyártási folyamatban általában a fókuszált Gauss-sugár az energiaforrás. Egyedülálló energiaeloszlása miatt (magas középpont, alacsony él) azonban valószínűleg nagy termikus gradienseket és instabilitást okoz az olvadékmedencében. A nyomtatott alkatrészek gyenge alakítási minőségét eredményezi. Ezenkívül, ha az olvadt medence középső hőmérséklete túl magas, az alacsony olvadáspontú fémelemek elpárologtatását okozza, ami tovább súlyosbítja az LBPF folyamat instabilitását. Ezért a porozitás növekedésével a nyomtatott alkatrészek mechanikai tulajdonságai és kifáradási élettartama jelentősen csökken. A Gauss-sugarak egyenetlen energiaeloszlása szintén alacsony lézerenergia-felhasználási hatékonyságot és túlzott energiapazarlást eredményez. A jobb nyomtatási minőség elérése érdekében a tudósok elkezdték kutatni a Gauss-nyalábok hibáinak kompenzálását az olyan folyamatparaméterek módosításával, mint a lézerteljesítmény, a szkennelési sebesség, a porréteg vastagsága és a szkennelési stratégia, az energiabevitel lehetőségének szabályozása érdekében. A módszer igen szűk feldolgozási ablaka miatt a rögzített fizikai korlátok korlátozzák a további optimalizálás lehetőségét. Például a lézerteljesítmény és a szkennelési sebesség növelésével magas gyártási hatékonyság érhető el, de ennek gyakran a nyomtatási minőség feláldozása az ára. Az elmúlt években a lézer energiaelosztásának sugárformáló stratégiákkal történő megváltoztatása jelentősen javíthatja a gyártás hatékonyságát és a nyomtatási minőséget, ami a lézeradalékos gyártástechnológia jövőbeli fejlesztési irányává válhat. A sugáralakítási technológia általában a bemeneti sugár hullámfront-eloszlásának beállítását jelenti a kívánt intenzitáseloszlás és terjedési jellemzők elérése érdekében. A sugáralakítási technológia alkalmazását a fémadalékos gyártástechnológiában a 2. ábra mutatja be.
Nyalábformáló technológia alkalmazása a lézeres adalékgyártásban
A hagyományos Gauss-sugaras nyomtatás hiányosságai
A fémlézeres adalékos gyártástechnológiában a lézersugár energiaeloszlása jelentős hatással van a nyomtatott alkatrészek minőségére. Bár a Gauss-sugarak széles körben használatosak fémlézeres adalékanyag-gyártó berendezésekben, komoly hátrányaik vannak, mint például az instabil nyomtatási minőség, az alacsony energiafelhasználás és az additív gyártási folyamat szűk folyamatablakai. Közülük a por olvadási folyamata és a fémlézeres additív eljárás során az olvadt medence dinamikája szorosan összefügg a porréteg vastagságával. A porfröccsenő és eróziós zónák jelenléte miatt a porréteg tényleges vastagsága nagyobb, mint az elméleti elvárás. Másodszor, a gőzoszlop okozta a fő visszafelé irányuló sugárfröccsenést. A fémgőz a hátsó falnak ütközik, és fröccsenések keletkeznek, amelyek az elülső fal mentén az olvadékmedence homorú területére merőlegesen permeteznek (a 3. ábrán látható módon). A lézersugár és a fröccsenések közötti összetett kölcsönhatás miatt a kifröccsenő fröccsenések súlyosan befolyásolhatják a következő porrétegek nyomtatási minőségét. Ezenkívül a kulcslyukak kialakulása az olvadékmedencében szintén súlyosan befolyásolja a nyomtatott alkatrészek minőségét. A nyomtatott darab belső pórusait elsősorban az instabil reteszelő lyukak okozzák.
A gerendaalakítási technológia hibáinak kialakulásának mechanizmusa
A sugáralakító technológia egyszerre több dimenzióban is képes javítani a teljesítményt, ami eltér a Gauss-sugaraktól, amelyek az egyik dimenzióban javítják a teljesítményt más dimenziók feláldozása árán. A sugárformázó technológia pontosan be tudja állítani az olvadékmedence hőmérséklet-eloszlását és áramlási jellemzőit. A lézerenergia eloszlásának szabályozásával viszonylag stabil, kis hőmérsékleti gradiensű olvadékmedencét kapunk. A megfelelő lézerenergia-elosztás jótékony hatással van a porozitás és a porlasztási hibák elnyomására, valamint a fém alkatrészekre történő lézernyomtatás minőségének javítására. Különféle javulás érhető el a termelés hatékonyságában és a porfelhasználásban. Ugyanakkor a sugáralakító technológia több feldolgozási stratégiát biztosít számunkra, nagymértékben felszabadítva a folyamattervezés szabadságát, ami forradalmi előrelépés a lézeradalékos gyártástechnológiában.
Feladás időpontja: 2024.02.28
