A lézeres additív gyártási (AM) technológia, a nagy gyártási pontosság, a nagyfokú rugalmasság és a magas fokú automatizálás előnyeivel, széles körben elterjedt kulcsfontosságú alkatrészek gyártásában olyan területeken, mint az autóipar, az orvostudomány, a repülőgépipar stb. (például rakéta-üzemanyag fúvókák, műholdantenna-konzolok, emberi implantátumok stb.). Ez a technológia nagymértékben javíthatja a nyomtatott alkatrészek kombinációs teljesítményét az anyagszerkezet és a teljesítmény integrált gyártásán keresztül. Jelenleg a lézeres additív gyártási technológia általában fókuszált Gauss-sugarat alkalmaz, magas középponti és alacsony élenergia-eloszlással. Ez azonban gyakran nagy hőgradienseket generál az olvadékban, ami pórusok és durva szemcsék kialakulásához vezet. A nyalábformáló technológia egy új módszer ennek a problémának a megoldására, amely a lézersugár energiájának eloszlásának beállításával javítja a nyomtatási hatékonyságot és a minőséget.
A hagyományos kivonásos és azzal egyenértékű gyártással összehasonlítva a fém additív gyártástechnológia olyan előnyökkel rendelkezik, mint a rövid gyártási ciklusidő, a magas feldolgozási pontosság, a magas anyagkihasználási arány és az alkatrészek jó általános teljesítménye. Ezért a fém additív gyártástechnológiát széles körben alkalmazzák olyan iparágakban, mint a repülőgépipar, a fegyver- és felszerelésgyártás, az atomenergia, a biogyógyszeripar és az autóipar. A diszkrét rétegezés elvén alapuló fém additív gyártás egy energiaforrást (például lézert, ívet vagy elektronsugarat) használ a por vagy huzal megolvasztására, majd rétegenként rétegezi azokat a célalkatrész előállításához. Ez a technológia jelentős előnyökkel jár a kis tételek, az összetett szerkezetek vagy a személyre szabott alkatrészek gyártásában. Azok az anyagok, amelyeket nem lehet vagy nehéz feldolgozni hagyományos technikákkal, szintén alkalmasak additív gyártási módszerekkel történő előkészítésre. A fenti előnyök miatt az additív gyártástechnológia széles körű figyelmet kapott a tudósok körében mind belföldön, mind nemzetközi szinten. Az elmúlt évtizedekben az additív gyártástechnológia gyors fejlődésen ment keresztül. A lézeres additív gyártóberendezések automatizálásának és rugalmasságának, valamint a nagy lézerenergia-sűrűség és a nagy feldolgozási pontosság átfogó előnyeinek köszönhetően a lézeres additív gyártástechnológia fejlődött a leggyorsabban a fent említett három fém additív gyártási technológia közül.
A lézeres fém additív gyártástechnológia tovább osztható LPBF-re és DED-re. Az 1. ábra az LPBF és DED eljárások tipikus vázlatos rajzát mutatja. Az LPBF eljárás, más néven szelektív lézeres olvasztás (SLM), összetett fém alkatrészeket képes előállítani nagy energiájú lézersugarak pásztázásával egy rögzített útvonal mentén a porágy felületén. Ezután a por rétegről rétegre megolvad és megszilárdul. A DED eljárás főként két nyomtatási eljárást foglal magában: lézeres olvasztásos leválasztást és lézeres huzaladagolásos additív gyártást. Mindkét technológia közvetlenül képes fém alkatrészeket gyártani és javítani fémpor vagy huzal szinkron adagolásával. Az LPBF-hez képest a DED nagyobb termelékenységgel és nagyobb gyártási területtel rendelkezik. Ezenkívül ez a módszer kényelmesen lehetővé teszi kompozit anyagok és funkcionálisan osztályozott anyagok előállítását is. A DED-vel nyomtatott alkatrészek felületi minősége azonban mindig rossz, és a cél alkatrész méretpontosságának javítása érdekében utólagos feldolgozásra van szükség.
A jelenlegi lézeres additív gyártási eljárásban a fókuszált Gauss-sugár általában az energiaforrás. Egyedi energiaeloszlása (magas középpont, alacsony él) miatt azonban valószínűleg magas hőgradienseket és az olvadékfürdő instabilitását okozza. Ez a nyomtatott alkatrészek gyenge alakítási minőségéhez vezet. Ezenkívül, ha az olvadékfürdő középső hőmérséklete túl magas, az alacsony olvadáspontú fémelemek elpárolognak, 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 alacsony lézerenergia-kihasználási hatékonyságot és túlzott energiapazarlást is eredményez. A jobb nyomtatási minőség elérése érdekében a tudósok elkezdték vizsgálni a Gauss-sugarak hibáinak kompenzálását a folyamatparaméterek, például a lézerteljesítmény, a szkennelési sebesség, a porréteg vastagsága és a szkennelési stratégia módosításával, az energiabevitel lehetőségének szabályozása érdekében. A módszer nagyon szűk feldolgozási ablaka miatt a rögzített fizikai korlátok korlátozzák a további optimalizálás lehetőségét. Például a lézerteljesítmény és a szkennelési sebesség növelése magas gyártási hatékonyságot eredményezhet, de gyakran a nyomtatási minőség feláldozásával jár. Az elmúlt években a lézerenergia-eloszlás megváltoztatása nyalábformálási stratégiák révén jelentősen javíthatja a gyártási hatékonyságot és a nyomtatási minőséget, ami a lézeres additív gyártástechnológia jövőbeli fejlesztési irányává válhat. A nyalábformálási technológia általában a bemeneti nyaláb hullámfront-eloszlásának beállítását jelenti a kívánt intenzitás-eloszlás és terjedési jellemzők elérése érdekében. A nyalábformálási technológia alkalmazását a fém additív gyártástechnológiában a 2. ábra mutatja.
Sugárformáló technológia alkalmazása lézeres additív gyártásban
A hagyományos Gauss-nyalábnyomtatás hiányosságai
A fémlézeres additív gyártástechnológiában a lézersugár energiaeloszlása jelentős hatással van a nyomtatott alkatrészek minőségére. Bár a Gauss-sugarakat széles körben alkalmazzák a fémlézeres additív gyártóberendezésekben, komoly hátrányokkal küzdenek, mint például az instabil nyomtatási minőség, az alacsony energiafelhasználás és a szűk folyamatablakok az additív gyártási folyamatban. Ezek közül a por olvadási folyamata és az olvadékfürdő dinamikája a fémlézeres additív eljárás során szorosan összefügg a porréteg vastagságával. A por fröccsenő és eróziós zónák jelenléte miatt a porréteg tényleges vastagsága magasabb az elméleti várakozásnál. Másodszor, a gőzoszlop okozza a fő visszafelé irányuló fröccsenéseket. A fémgőz a hátsó falnak ütközik, fröccsenéseket képezve, amelyek az olvadékfürdő homorú területére merőlegesen az elülső fal mentén permeteznek (ahogy a 3. ábra mutatja). A lézersugár és a fröccsenések közötti komplex kölcsönhatás miatt a kilövellt fröccsenések komolyan befolyásolhatják a következő porrétegek nyomtatási minőségét. Ezenkívül az olvadékfürdőben kialakuló kulcslyukak szintén komolyan befolyásolják a nyomtatott alkatrészek minőségét. A nyomtatott darab belső pórusait főként az instabil rögzítőfuratok okozzák.
A nyalábformálási technológia hibáinak kialakulásának mechanizmusa
A nyalábformáló technológia több dimenzióban is képes teljesítménynövelést elérni egyszerre, ami eltér a Gauss-nyaláboktól, amelyek egy dimenzióban javítják a teljesítményt más dimenziók feláldozása árán. A nyalábformáló technológia pontosan képes beállítani az olvadékfürdő hőmérséklet-eloszlását és áramlási jellemzőit. A lézerenergia eloszlásának szabályozásával viszonylag stabil olvadékfürdőt kapunk kis hőmérsékleti gradienssel. A megfelelő lézerenergia-eloszlás előnyös a porozitás és a porlasztási hibák elnyomása, valamint a fém alkatrészek lézernyomtatásának minőségének javítása szempontjából. Különböző fejlesztéseket érhet el a termelési hatékonyságban és a porfelhasználásban. Ugyanakkor a nyalábformáló technológia több feldolgozási stratégiát kínál számunkra, nagymértékben felszabadítva a folyamattervezés szabadságát, ami forradalmi előrelépés a lézeres additív gyártástechnológiában.
Közzététel ideje: 2024. február 28.
