Laserlisandite tootmise (AM) tehnoloogiat, millel on kõrge tootmistäpsus, tugev paindlikkus ja kõrge automatiseerituse aste, kasutatakse laialdaselt võtmekomponentide tootmisel sellistes valdkondades nagu autotööstus, meditsiin, lennundus jne (näiteks raketikütuse düüsid, satelliitantennide kronsteinid, inimese implantaadid jne). See tehnoloogia võib oluliselt parandada trükitud osade kombineeritud jõudlust materjali struktuuri ja jõudluse integreeritud tootmise kaudu. Praegu kasutab laserlisandite tootmise tehnoloogia üldiselt fokuseeritud Gaussi kiirt, millel on kõrge keskpunkti ja madal servaenergia jaotus. Siiski tekitab see sulamis sageli suuri termilisi gradiente, mis viivad pooride ja jämedate terade moodustumiseni. Kiire kujundamise tehnoloogia on uus meetod selle probleemi lahendamiseks, mis parandab printimise efektiivsust ja kvaliteeti laserkiire energia jaotuse reguleerimise abil.
Võrreldes traditsioonilise lahutamise ja samaväärse tootmisega on metallilisandite tootmistehnoloogial eelised nagu lühike tootmistsükli aeg, kõrge töötlemise täpsus, kõrge materjali kasutamise määr ja osade hea üldine jõudlus. Seetõttu kasutatakse metallilisandite tootmistehnoloogiat laialdaselt sellistes tööstusharudes nagu lennundus, relvad ja seadmed, tuumaenergia, biofarmatseutika ja autotööstus. Diskreetse virnastamise põhimõttel põhineb metallilisandite tootmine energiaallikal (näiteks laser, kaar või elektronkiir) pulbri või traadi sulatamiseks ja seejärel nende kiht-kihiks virnastamiseks, et toota sihtkomponenti. Sellel tehnoloogial on märkimisväärsed eelised väikeste partiide, keerukate struktuuride või isikupärastatud osade tootmisel. Materjalid, mida ei saa või on raske traditsiooniliste tehnikate abil töödelda, sobivad samuti lisandite tootmismeetodite abil valmistamiseks. Tänu ülaltoodud eelistele on lisandite tootmistehnoloogia pälvinud teadlaste laialdast tähelepanu nii riigisiseselt kui ka rahvusvaheliselt. Viimastel aastakümnetel on lisandite tootmistehnoloogia kiiresti arenenud. Tänu laserlisandite tootmisseadmete automatiseerimisele ja paindlikkusele, samuti suure laserenergia tiheduse ja suure töötlemise täpsuse laiaulatuslikele eelistele on laserlisandite tootmistehnoloogia arenenud kolmest eespool nimetatud metallilisandite tootmistehnoloogiast kõige kiiremini.
Lasermetalli lisandite tootmistehnoloogiat saab omakorda jagada LPBF-iks ja DED-ks. Joonis 1 näitab LPBF- ja DED-protsesside tüüpilist skemaatilist diagrammi. LPBF-protsess, tuntud ka kui selektiivne lasersulatus (SLM), võimaldab toota keerulisi metallkomponente, skaneerides suure energiaga laserkiiri mööda fikseeritud rada pulbrikihi pinnal. Seejärel sulab ja tahkestub pulber kiht kihi haaval. DED-protsess hõlmab peamiselt kahte trükiprotsessi: lasersulatussadestamist ja lasertraadi etteandega lisandite tootmist. Mõlemad tehnoloogiad võimaldavad metalldetaile otse toota ja parandada, söötes sünkroonselt metallipulbrit või traati. Võrreldes LPBF-iga on DED-l suurem tootlikkus ja suurem tootmispind. Lisaks saab selle meetodiga mugavalt valmistada ka komposiitmaterjale ja funktsionaalselt gradueeritud materjale. DED-ga trükitud osade pinnakvaliteet on aga alati halb ja sihtkomponendi mõõtmete täpsuse parandamiseks on vaja edasist töötlemist.
Praeguses laserlisandite tootmisprotsessis on energiaallikaks tavaliselt fokuseeritud Gaussi kiir. Oma ainulaadse energiajaotuse (kõrge keskpunkt, madal serv) tõttu võib see aga põhjustada suuri termilisi gradiente ja sulamisbasseini ebastabiilsust. Tulemuseks on trükitud osade halb vormimiskvaliteet. Lisaks, kui sulamisbasseini keskpunkt on liiga kõrge, põhjustab see madala sulamistemperatuuriga metallelementide aurustumist, mis süvendab veelgi LBPF-protsessi ebastabiilsust. Seetõttu vähenevad poorsuse suurenemisega trükitud osade mehaanilised omadused ja väsimuskindlus märkimisväärselt. Gaussi kiirte ebaühtlane energiajaotus toob kaasa ka madala laseri energiakasutuse efektiivsuse ja liigse energia raiskamise. Parema trükikvaliteedi saavutamiseks on teadlased hakanud uurima Gaussi kiirte defektide kompenseerimist, muutes protsessi parameetreid, nagu laseri võimsus, skaneerimiskiirus, pulbrikihi paksus ja skaneerimisstrateegia, et kontrollida energia sisestamise võimalust. Selle meetodi väga kitsa töötlemisakna tõttu piiravad fikseeritud füüsikalised piirangud edasise optimeerimise võimalust. Näiteks laseri võimsuse ja skaneerimiskiiruse suurendamine võib saavutada kõrge tootmisefektiivsuse, kuid sageli kaasneb sellega trükikvaliteedi ohverdamine. Viimastel aastatel on laserkiire energiajaotuse muutmine kiire kujundamise strateegiate abil oluliselt parandanud tootmisefektiivsust ja trükikvaliteeti, mis võib saada laserlisandite tootmistehnoloogia tulevaseks arengusuunaks. Kiire kujundamise tehnoloogia viitab üldiselt sisendkiire lainefrondi jaotuse reguleerimisele, et saavutada soovitud intensiivsuse jaotus ja levimisomadused. Kiire kujundamise tehnoloogia rakendamine metallilisandite tootmistehnoloogias on näidatud joonisel 2.
Kiire kujundamise tehnoloogia rakendamine laserlisandite tootmises
Traditsioonilise Gaussi talaprintimise puudused
Metalllaseriga lisandite tootmise tehnoloogias mõjutab laserkiire energiajaotus oluliselt trükitud osade kvaliteeti. Kuigi Gaussi kiiri on metalllaseriga lisandite tootmise seadmetes laialdaselt kasutatud, on neil tõsiseid puudusi, nagu ebastabiilne trükikvaliteet, madal energiatarbimine ja kitsad protsessiaknad lisandite tootmisprotsessis. Nende hulgas on pulbri sulamisprotsess ja sulabasseini dünaamika metalllaseriga lisandite tootmise protsessi ajal tihedalt seotud pulbrikihi paksusega. Pulbri pritsimis- ja erosioonitsoonide olemasolu tõttu on pulbrikihi tegelik paksus teoreetilisest ootusest suurem. Teiseks põhjustas aurukolonn peamised tagurpidi pritsmed. Metalliaur põrkab vastu tagaseina, moodustades pritsmeid, mis pihustatakse mööda esiseina risti sulabasseini nõgusa alaga (nagu on näidatud joonisel 3). Laserkiire ja pritsmete keerulise interaktsiooni tõttu võivad väljuvad pritsmed tõsiselt mõjutada järgnevate pulbrikihtide trükikvaliteeti. Lisaks mõjutab trükitud osade kvaliteeti oluliselt ka lukuaukude teke sulabasseinis. Trükitud detaili sisemised poorid on peamiselt põhjustatud ebastabiilsetest lukustusavadest.
Tala kujundamise tehnoloogia defektide tekkemehhanism
Kiire kujundamise tehnoloogia võimaldab saavutada jõudluse paranemist mitmes dimensioonis samaaegselt, mis erineb Gaussi kiirtest, mis parandavad jõudlust ühes dimensioonis teiste dimensioonide ohverdamise hinnaga. Kiire kujundamise tehnoloogia võimaldab täpselt reguleerida sulavanni temperatuurijaotust ja vooluomadusi. Laserenergia jaotuse juhtimise abil saadakse suhteliselt stabiilne sulavann väikese temperatuurigradiendiga. Sobiv laserenergia jaotus on kasulik poorsuse ja pritsimisdefektide vähendamiseks ning metalldetailide laserprintimise kvaliteedi parandamiseks. See võib saavutada mitmesuguseid tootmistõhususe ja pulbri kasutamise parandusi. Samal ajal pakub kiire kujundamise tehnoloogia meile rohkem töötlemisstrateegiaid, vabastades oluliselt protsessi kavandamise vabaduse, mis on laserlisandite tootmistehnoloogia revolutsiooniline edasiminek.
Postituse aeg: 28. veebruar 2024
