Ang teknolohiyang laser additive manufacturing (AM), na may mga bentahe ng 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, medical, aerospace, atbp. (tulad ng mga nozzle ng rocket fuel, satellite antenna bracket, human implant, atbp.). Ang teknolohiyang ito ay lubos na makakapagpabuti sa pinagsamang pagganap ng mga naka-print na bahagi sa pamamagitan ng pinagsamang paggawa ng istruktura at pagganap ng materyal. Sa kasalukuyan, ang teknolohiyang laser additive manufacturing sa pangkalahatan ay gumagamit ng isang nakatutok na Gaussian beam na may mataas na center at mababang edge energy distribution. Gayunpaman, kadalasan itong bumubuo ng mataas na thermal gradients sa melt, na humahantong sa kasunod na pagbuo ng mga pores at coarse grains. Ang teknolohiyang beam shaping ay isang bagong paraan upang malutas ang problemang ito, na nagpapabuti sa kahusayan at kalidad ng pag-print sa pamamagitan ng pagsasaayos ng distribusyon ng enerhiya ng laser beam.
Kung ikukumpara sa tradisyonal na pagbabawas at katumbas na pagmamanupaktura, ang teknolohiya ng metal additive manufacturing ay may mga bentahe tulad ng maikling cycle time 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 metal additive manufacturing ay malawakang ginagamit sa mga industriya tulad ng aerospace, mga armas at kagamitan, nuclear power, biopharmaceuticals, at mga sasakyan. Batay sa prinsipyo ng discrete stacking, ang metal additive manufacturing ay gumagamit ng pinagmumulan ng enerhiya (tulad ng laser, arc, o electron beam) upang matunaw ang pulbos o alambre, at pagkatapos ay itinatambak ang mga ito nang patong-patong upang gawin ang target na bahagi. Ang teknolohiyang ito ay may mga makabuluhang bentahe sa paggawa ng maliliit na batch, kumplikadong istruktura, o mga personalized na bahagi. Ang mga materyales na hindi maaaring o mahirap iproseso gamit ang mga tradisyonal na pamamaraan ay angkop din para sa paghahanda gamit ang mga pamamaraan ng additive manufacturing. Dahil sa mga bentahe sa itaas, ang teknolohiya ng additive manufacturing ay nakakuha ng malawakang atensyon mula sa mga iskolar kapwa sa loob at labas ng bansa. Sa nakalipas na ilang dekada, ang teknolohiya ng additive manufacturing ay mabilis na sumulong. Dahil sa automation at flexibility ng mga kagamitan sa laser additive manufacturing, pati na rin ang komprehensibong bentahe ng mataas na laser energy density at mataas na katumpakan sa pagproseso, ang teknolohiya ng laser additive manufacturing ang pinakamabilis na umunlad sa tatlong teknolohiya ng metal additive manufacturing na nabanggit sa itaas.
Ang teknolohiya ng laser metal additive manufacturing ay maaaring hatiin pa sa LPBF at DED. Ipinapakita ng Figure 1 ang isang tipikal na eskematiko na 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 isang powder bed. Pagkatapos, ang pulbos ay natutunaw at tumitibay nang patong-patong. Ang proseso ng DED ay pangunahing kinabibilangan ng dalawang proseso ng pag-print: laser melting deposition at laser wire feeding additive manufacturing. Ang parehong teknolohiyang ito ay maaaring direktang gumawa at mag-ayos ng mga bahagi ng metal sa pamamagitan ng sabay-sabay na pagpapakain ng metal powder o wire. Kung ikukumpara sa LPBF, ang DED ay may mas mataas na produktibidad at mas malaking lugar ng pagmamanupaktura. Bilang karagdagan, ang pamamaraang ito ay maaari ring maginhawang maghanda ng mga composite na materyales at mga materyales na may function na grado. Gayunpaman, ang kalidad ng ibabaw ng mga bahaging inilimbag ng DED ay palaging mababa, at kinakailangan ang kasunod na pagproseso upang mapabuti ang katumpakan ng dimensional ng target na bahagi.
Sa kasalukuyang proseso ng laser additive manufacturing, ang naka-focus na Gaussian beam ang karaniwang pinagmumulan ng enerhiya. Gayunpaman, dahil sa natatanging distribusyon ng enerhiya nito (mataas na gitna, mababang gilid), malamang na magdulot ito ng mataas na thermal gradients at kawalang-tatag ng melt pool. Na nagreresulta sa mahinang kalidad ng pagbuo ng mga naka-print na bahagi. Bukod pa rito, kung ang temperatura ng gitna ng tinunaw na pool ay masyadong mataas, magiging sanhi ito ng pagsingaw ng mga elemento ng metal na may mababang melting point, 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 lubhang nababawasan. Ang hindi pantay na distribusyon 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 para sa mga depekto ng Gaussian beam sa pamamagitan ng pagbabago ng mga parameter ng proseso tulad ng lakas ng laser, bilis ng pag-scan, kapal ng layer ng pulbos, at diskarte sa pag-scan, upang makontrol ang posibilidad ng input ng enerhiya. Dahil sa napakakitid na processing window ng pamamaraang ito, ang mga nakapirming pisikal na limitasyon ay naglilimita sa posibilidad ng karagdagang pag-optimize. Halimbawa, ang pagpapataas ng lakas ng laser at bilis ng pag-scan ay maaaring makamit ang mataas na kahusayan sa pagmamanupaktura, ngunit kadalasan ay may kaakibat na pagsasakripisyo sa kalidad ng pag-imprenta. Sa mga nakaraang taon, ang pagbabago ng distribusyon ng enerhiya ng laser sa pamamagitan ng mga estratehiya sa paghubog ng beam ay maaaring makabuluhang mapabuti ang kahusayan sa pagmamanupaktura at kalidad ng pag-imprenta, na maaaring maging direksyon sa pag-unlad ng teknolohiya ng laser additive manufacturing sa hinaharap. Ang teknolohiya ng beam shaping sa pangkalahatan ay tumutukoy sa pagsasaayos ng wavefront distribution ng input beam upang makuha ang ninanais na intensity distribution at propagation characteristics. Ang aplikasyon ng teknolohiya ng beam shaping sa teknolohiya ng metal additive manufacturing ay ipinapakita sa Figure 2.
Paggamit ng teknolohiya ng paghubog ng beam sa pagmamanupaktura ng laser additive
Mga kakulangan ng tradisyonal na Gaussian beam printing
Sa teknolohiya ng metal laser additive manufacturing, ang distribusyon ng enerhiya ng laser beam ay may malaking epekto sa kalidad ng mga naka-print na bahagi. Bagama't malawakang ginagamit ang Gaussian beams sa mga kagamitan sa paggawa ng metal laser additive manufacturing, mayroon itong mga malubhang disbentaha tulad ng hindi matatag na kalidad ng pag-print, mababang paggamit ng enerhiya, at makikipot na mga bintana ng proseso sa proseso ng additive manufacturing. Kabilang sa mga ito, ang proseso ng pagkatunaw ng pulbos at ang dinamika ng tinunaw na pool sa panahon ng proseso ng metal laser additive ay malapit na nauugnay sa kapal ng layer ng pulbos. Dahil sa pagkakaroon ng mga powder splashing at erosion zone, ang aktwal na kapal ng layer ng pulbos ay mas mataas kaysa sa teoretikal na inaasahan. Pangalawa, ang steam column ang sanhi ng pangunahing backward jet splashes. Ang metal vapor ay bumabangga sa likurang dingding upang bumuo ng mga splashes, na ini-spray sa kahabaan ng harapang dingding patayo sa malukong na bahagi ng tinunaw na pool (tulad ng ipinapakita sa Figure 3). Dahil sa kumplikadong interaksyon sa pagitan ng laser beam at mga splashes, ang mga ibinubuga na splashes ay maaaring malubhang makaapekto sa kalidad ng pag-print ng mga kasunod na layer ng pulbos. 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 butas ng nakalimbag na piraso ay pangunahing sanhi ng hindi matatag na mga butas ng pagsasara.
Ang mekanismo ng pagbuo ng mga depekto sa teknolohiya ng paghubog ng beam
Ang teknolohiya ng beam shaping ay maaaring makamit ang pagpapabuti ng pagganap sa maraming dimensyon nang sabay-sabay, na naiiba sa Gaussian beams na nagpapabuti sa pagganap sa isang dimensyon kapalit ng pagsasakripisyo ng ibang mga dimensyon. Ang teknolohiya ng beam shaping ay maaaring tumpak na ayusin ang distribusyon ng temperatura at mga katangian ng daloy ng melt pool. Sa pamamagitan ng pagkontrol sa distribusyon ng enerhiya ng laser, nakakamit ang isang medyo matatag na molten pool na may maliit na gradient ng temperatura. Ang naaangkop na distribusyon ng enerhiya ng laser ay kapaki-pakinabang para sa pagsugpo sa porosity at mga depekto sa sputtering, 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 ng beam shaping ay nagbibigay sa atin ng mas maraming estratehiya sa pagproseso, na lubos na nagpapalaya sa kalayaan ng disenyo ng proseso, na isang rebolusyonaryong pag-unlad sa teknolohiya ng laser additive manufacturing.
Oras ng pag-post: Pebrero 28, 2024
