Ang teknolohiya ng laser additive manufacturing (AM), na may mga pakinabang nito sa mataas na katumpakan ng pagmamanupaktura, malakas na flexibility, at mataas na antas ng automation, ay malawakang ginagamit sa paggawa ng mga pangunahing bahagi sa mga larangan tulad ng automotive, medikal, aerospace, atbp. (tulad ng rocket mga fuel nozzle, satellite antenna bracket, human implants, atbp.). Ang teknolohiyang ito ay maaaring lubos na mapabuti ang kumbinasyon ng pagganap ng mga naka-print na bahagi sa pamamagitan ng pinagsamang pagmamanupaktura ng materyal na istraktura at pagganap. Sa kasalukuyan, ang teknolohiya ng pagmamanupaktura ng laser additive ay karaniwang gumagamit ng nakatutok na Gaussian beam na may mataas na sentro at mababang pamamahagi ng enerhiya sa gilid. Gayunpaman, madalas itong bumubuo ng mataas na thermal gradients sa pagkatunaw, na humahantong sa kasunod na pagbuo ng mga pores at magaspang na butil. Ang teknolohiya ng paghubog ng beam ay isang bagong paraan upang malutas ang problemang ito, na nagpapabuti sa kahusayan at kalidad ng pag-print sa pamamagitan ng pagsasaayos ng pamamahagi ng enerhiya ng laser beam.
Kung ikukumpara sa tradisyunal na pagbabawas at katumbas na pagmamanupaktura, ang teknolohiya ng pagmamanupaktura ng metal additive ay may mga pakinabang tulad ng maikling panahon ng ikot ng pagmamanupaktura, mataas na katumpakan sa pagproseso, mataas na rate ng paggamit ng materyal, at mahusay na pangkalahatang pagganap ng mga bahagi. Samakatuwid, ang teknolohiya ng pagmamanupaktura ng metal additive ay malawakang ginagamit sa mga industriya tulad ng aerospace, armas at kagamitan, nuclear power, biopharmaceutical, at mga sasakyan. Batay sa prinsipyo ng discrete stacking, ang paggawa ng metal additive ay gumagamit ng pinagmumulan ng enerhiya (gaya ng laser, arc, o electron beam) upang matunaw ang pulbos o wire, at pagkatapos ay i-stack ang mga ito nang patong-patong upang gawin ang target na bahagi. Ang teknolohiyang ito ay may malaking pakinabang sa paggawa ng maliliit na batch, kumplikadong istruktura, o mga personalized na bahagi. Ang mga materyal na hindi maaaring o mahirap iproseso gamit ang mga tradisyonal na pamamaraan ay angkop din para sa paghahanda gamit ang mga additive na pamamaraan ng pagmamanupaktura. Dahil sa mga pakinabang sa itaas, ang additive na teknolohiya sa pagmamanupaktura ay nakakuha ng malawakang atensyon mula sa mga iskolar sa loob ng bansa at internasyonal. Sa nakalipas na ilang dekada, ang additive manufacturing technology ay gumawa ng mabilis na pag-unlad. Dahil sa automation at flexibility ng mga kagamitan sa pagmamanupaktura ng laser additive, pati na rin ang mga komprehensibong bentahe ng mataas na density ng enerhiya ng laser at mataas na katumpakan ng pagproseso, ang teknolohiya ng pagmamanupaktura ng laser additive ay nakabuo ng pinakamabilis sa tatlong mga teknolohiya sa pagmamanupaktura ng metal additive na binanggit sa itaas.
Laser metal additive manufacturing teknolohiya ay maaaring higit pang nahahati sa LPBF at DED. Ipinapakita ng Figure 1 ang isang tipikal na schematic diagram ng mga proseso ng LPBF at DED. Ang proseso ng LPBF, na kilala rin bilang Selective Laser Melting (SLM), ay maaaring gumawa ng mga kumplikadong bahagi ng metal sa pamamagitan ng pag-scan ng mga high-energy laser beam sa isang nakapirming landas sa ibabaw ng powder bed. Pagkatapos, ang pulbos ay natutunaw at nagpapatigas sa bawat layer. Pangunahing kasama sa proseso ng DED ang dalawang proseso ng pag-print: laser melting deposition at laser wire feeding additive manufacturing. Pareho sa mga teknolohiyang ito ay maaaring direktang gumawa at mag-ayos ng mga bahagi ng metal sa pamamagitan ng sabay-sabay na pagpapakain ng metal na pulbos o kawad. Kung ikukumpara sa LPBF, ang DED ay may mas mataas na produktibidad at mas malaking lugar ng pagmamanupaktura. Bilang karagdagan, ang paraang ito ay maaari ding maginhawang maghanda ng mga composite na materyales at functionally graded na materyales. Gayunpaman, ang kalidad ng ibabaw ng mga bahagi na naka-print ng DED ay palaging mahina, at ang kasunod na pagproseso ay kinakailangan upang mapabuti ang dimensional na katumpakan ng target na bahagi.
Sa kasalukuyang proseso ng pagmamanupaktura ng laser additive, ang nakatutok na Gaussian beam ay karaniwang pinagmumulan ng enerhiya. Gayunpaman, dahil sa kakaibang pamamahagi ng enerhiya nito (mataas na sentro, mababang gilid), malamang na magdulot ito ng mataas na thermal gradient at kawalang-tatag ng melt pool. Nagreresulta sa hindi magandang kalidad ng pagbuo ng mga naka-print na bahagi. Bilang karagdagan, kung ang temperatura sa gitna ng molten pool ay masyadong mataas, ito ay magiging sanhi ng mababang temperatura ng pagkatunaw ng mga elemento ng metal upang magsingaw, na lalong magpapalala sa kawalang-tatag ng proseso ng LBPF. Samakatuwid, sa pagtaas ng porosity, ang mga mekanikal na katangian at buhay ng pagkapagod ng mga naka-print na bahagi ay makabuluhang nabawasan. Ang hindi pantay na pamamahagi ng enerhiya ng mga Gaussian beam ay humahantong din sa mababang kahusayan sa paggamit ng enerhiya ng laser at labis na pag-aaksaya ng enerhiya. Upang makamit ang mas mahusay na kalidad ng pag-print, sinimulan ng mga iskolar na tuklasin ang pag-compensate sa mga depekto ng Gaussian beam sa pamamagitan ng pagbabago ng mga parameter ng proseso tulad ng kapangyarihan ng laser, bilis ng pag-scan, kapal ng powder layer, at diskarte sa pag-scan, upang makontrol ang posibilidad ng pagpasok ng enerhiya. Dahil sa napakakitid na window ng pagproseso ng pamamaraang ito, nililimitahan ng mga nakapirming pisikal na limitasyon ang posibilidad ng karagdagang pag-optimize. Halimbawa, ang pagtaas ng lakas ng laser at bilis ng pag-scan ay maaaring makamit ang mataas na kahusayan sa pagmamanupaktura, ngunit kadalasan ay nauuwi sa halaga ng pagsasakripisyo sa kalidad ng pag-print. Sa mga nagdaang taon, ang pagbabago ng pamamahagi ng enerhiya ng laser sa pamamagitan ng mga diskarte sa paghubog ng beam ay maaaring makabuluhang mapabuti ang kahusayan sa pagmamanupaktura at kalidad ng pag-print, na maaaring maging direksyon sa pag-unlad sa hinaharap ng teknolohiya ng pagmamanupaktura ng laser additive. Ang teknolohiya sa paghubog ng beam ay karaniwang tumutukoy sa pagsasaayos ng pamamahagi ng wavefront ng input beam upang makuha ang nais na pamamahagi ng intensity at mga katangian ng pagpapalaganap. Ang aplikasyon ng teknolohiya sa paghubog ng beam sa teknolohiya ng pagmamanupaktura ng metal additive ay ipinapakita sa Figure 2.
Application ng beam shaping technology sa laser additive manufacturing
Ang mga pagkukulang ng tradisyonal na Gaussian beam printing
Sa teknolohiya ng pagmamanupaktura ng metal laser additive, ang pamamahagi ng enerhiya ng laser beam ay may malaking epekto sa kalidad ng mga naka-print na bahagi. Bagama't malawakang ginagamit ang mga Gaussian beam sa mga kagamitan sa pagmamanupaktura ng metal laser additive, dumaranas sila ng mga seryosong disbentaha gaya ng hindi matatag na kalidad ng pag-print, mababang paggamit ng enerhiya, at makitid na mga window ng proseso sa proseso ng paggawa ng additive. Kabilang sa mga ito, ang proseso ng pagkatunaw ng pulbos at ang dynamics ng molten pool sa panahon ng proseso ng metal laser additive ay malapit na nauugnay sa kapal ng layer ng pulbos. Dahil sa pagkakaroon ng powder splashing at erosion zone, ang aktwal na kapal ng powder layer ay mas mataas kaysa sa teoretikal na inaasahan. Pangalawa, ang haligi ng singaw ay nagdulot ng pangunahing atrasadong jet splashes. Ang singaw ng metal ay bumangga sa likurang dingding upang bumuo ng mga splashes, na ini-spray sa kahabaan ng front wall na patayo sa malukong lugar ng molten pool (tulad ng ipinapakita sa Figure 3). Dahil sa kumplikadong interaksyon sa pagitan ng laser beam at splashes, ang mga ejected splashes ay maaaring seryosong makaapekto sa kalidad ng pag-print ng mga kasunod na powder layer. Bilang karagdagan, ang pagbuo ng mga keyhole sa melt pool ay seryoso ring nakakaapekto sa kalidad ng mga naka-print na bahagi. Ang mga panloob na pores ng naka-print na piraso ay pangunahing sanhi ng hindi matatag na mga butas sa pagsasara.
Ang mekanismo ng pagbuo ng mga depekto sa teknolohiya ng paghubog ng sinag
Ang teknolohiya sa paghubog ng beam ay maaaring makamit ang pagpapabuti ng pagganap sa maraming dimensyon nang sabay-sabay, na iba sa mga Gaussian beam na nagpapahusay sa pagganap sa isang dimensyon sa halaga ng pagsasakripisyo sa iba pang mga dimensyon. Ang teknolohiya ng paghubog ng beam ay maaaring tumpak na ayusin ang pamamahagi ng temperatura at mga katangian ng daloy ng natutunaw na pool. Sa pamamagitan ng pagkontrol sa pamamahagi ng enerhiya ng laser, ang isang medyo matatag na molten pool na may maliit na gradient ng temperatura ay nakuha. Ang naaangkop na pamamahagi ng enerhiya ng laser ay kapaki-pakinabang para sa pagsugpo sa porosity at sputtering defects, at pagpapabuti ng kalidad ng laser printing sa mga bahaging metal. Maaari itong makamit ang iba't ibang mga pagpapabuti sa kahusayan ng produksyon at paggamit ng pulbos. Kasabay nito, ang teknolohiya sa paghubog ng beam ay nagbibigay sa amin ng higit pang mga diskarte sa pagpoproseso, na lubos na nagpapalaya sa kalayaan ng disenyo ng proseso, na isang rebolusyonaryong pag-unlad sa teknolohiya ng pagmamanupaktura ng laser additive.
Oras ng post: Peb-28-2024
