Laser additive production (AM) -tekniikkaa, jonka etuna on korkea valmistustarkkuus, vahva joustavuus ja korkea automaatioaste, käytetään laajalti keskeisten komponenttien valmistuksessa sellaisilla aloilla kuin autoteollisuus, lääketiede, ilmailu jne. (kuten rakettiteollisuus). polttoainesuuttimet, satelliittiantennin kiinnikkeet, ihmisimplantit jne.). Tämä tekniikka voi parantaa huomattavasti painettujen osien yhdistelmän suorituskykyä materiaalirakenteen ja suorituskyvyn integroidun valmistuksen avulla. Tällä hetkellä laserlisäainevalmistustekniikka käyttää yleensä fokusoitua Gauss-sädettä korkealla keskipisteellä ja matalalla reunalla. Se tuottaa kuitenkin usein korkeita lämpögradientteja sulatteeseen, mikä johtaa huokosten ja karkeiden rakeiden muodostumiseen. Säteen muotoilutekniikka on uusi menetelmä tämän ongelman ratkaisemiseksi, joka parantaa tulostustehokkuutta ja -laatua säätämällä lasersäteen energian jakautumista.
Perinteiseen vähentämiseen ja vastaavaan valmistukseen verrattuna metallin lisäainevalmistustekniikalla on etuja, kuten lyhyt valmistusjakso, korkea prosessointitarkkuus, korkea materiaalin käyttöaste ja osien hyvä kokonaissuorituskyky. Siksi metallilisäaineiden valmistustekniikkaa käytetään laajalti sellaisilla teollisuudenaloilla kuin ilmailu, aseet ja laitteet, ydinvoima, biofarmaseuttiset tuotteet ja autot. Diskreetin pinoamisen periaatteeseen perustuva metallilisäainevalmistus käyttää energialähdettä (kuten laseria, kaaria tai elektronisädettä) jauheen tai langan sulattamiseen ja pinoa ne sitten kerros kerrokselta kohdekomponentin valmistamiseksi. Tällä tekniikalla on merkittäviä etuja pienten erien, monimutkaisten rakenteiden tai henkilökohtaisten osien valmistuksessa. Myös materiaalit, joita ei voida tai on vaikea prosessoida perinteisillä tekniikoilla, sopivat valmistettaviksi additiivinen valmistusmenetelmä. Edellä mainituista eduista johtuen additiivinen valmistustekniikka on herättänyt laajaa huomiota tutkijoilta sekä kotimaassa että kansainvälisesti. Muutaman viime vuosikymmenen aikana additiivinen valmistustekniikka on edistynyt nopeasti. Laserlisäaineiden valmistuslaitteiden automaation ja joustavuuden sekä suuren laserenergiatiheyden ja korkean prosessointitarkkuuden kattavien etujen ansiosta laserlisäaineiden valmistustekniikka on kehittynyt nopeimmin kolmesta edellä mainitusta metallilisäaineiden valmistusteknologiasta.
Lasermetallilisäaineiden valmistustekniikka voidaan jakaa edelleen LPBF:ään ja DED:iin. Kuvassa 1 on tyypillinen kaavio LPBF- ja DED-prosesseista. LPBF-prosessi, joka tunnetaan myös nimellä Selective Laser Melting (SLM), voi valmistaa monimutkaisia metallikomponentteja skannaamalla suurienergisiä lasersäteitä kiinteää reittiä pitkin jauhepedin pinnalla. Sitten jauhe sulaa ja jähmettyy kerros kerrokselta. DED-prosessi sisältää pääasiassa kaksi painoprosessia: lasersulatuspinnoitus ja laserlangansyöttölisäaineiden valmistus. Molemmilla tekniikoilla voidaan suoraan valmistaa ja korjata metalliosia syöttämällä synkronisesti metallijauhetta tai lankaa. LPBF:ään verrattuna DED:llä on korkeampi tuottavuus ja suurempi valmistusalue. Lisäksi tällä menetelmällä voidaan valmistaa kätevästi myös komposiittimateriaaleja ja toiminnallisesti luokiteltuja materiaaleja. DED:n painamien osien pinnanlaatu on kuitenkin aina huono, ja myöhempää käsittelyä tarvitaan kohdekomponentin mittatarkkuuden parantamiseksi.
Nykyisessä laserlisäainevalmistusprosessissa fokusoitu Gaussin säde on yleensä energianlähde. Ainutlaatuisen energian jakautumisen (korkea keskipiste, matala reuna) ansiosta se kuitenkin todennäköisesti aiheuttaa suuria lämpögradientteja ja sulaaltaan epävakautta. Seurauksena painettujen osien huono muotoilu. Lisäksi, jos sulan altaan keskilämpötila on liian korkea, se aiheuttaa matalan sulamispisteen metallielementtien höyrystymistä, mikä entisestään pahentaa LBPF-prosessin epävakautta. Siksi huokoisuuden kasvaessa painettujen osien mekaaniset ominaisuudet ja väsymisikä pienenevät merkittävästi. Gaussin säteiden epätasainen energian jakautuminen johtaa myös alhaiseen laserenergian hyötysuhteeseen ja liialliseen energiahukkaan. Paremman tulostuslaadun saavuttamiseksi tutkijat ovat alkaneet tutkia Gauss-säteiden vikojen kompensointia muuttamalla prosessiparametreja, kuten lasertehoa, skannausnopeutta, jauhekerroksen paksuutta ja skannausstrategiaa energiansyötön mahdollisuuden hallitsemiseksi. Tämän menetelmän erittäin kapeasta käsittelyikkunasta johtuen kiinteät fyysiset rajoitukset rajoittavat mahdollisuutta jatkooptimointiin. Esimerkiksi lasertehon ja skannausnopeuden lisääminen voi saavuttaa korkean valmistustehokkuuden, mutta sen kustannuksella on usein uhrattu tulostuslaatu. Viime vuosina laserenergian jakautumisen muuttaminen säteen muotoilustrategioiden avulla voi parantaa merkittävästi valmistustehokkuutta ja tulostuslaatua, mikä voi olla laserlisäainevalmistusteknologian tulevaisuuden kehityssuunta. Säteen muotoilutekniikka viittaa yleensä tulosäteen aaltorintaman jakauman säätämiseen halutun intensiteettijakauman ja etenemisominaisuuksien saamiseksi. Palkin muotoilutekniikan sovellus metallilisäainevalmistustekniikassa on esitetty kuvassa 2.
Säteen muotoiluteknologian soveltaminen laserlisäainevalmistuksessa
Perinteisen Gaussin sädetulostuksen puutteet
Metallilaserlisäainevalmistustekniikassa lasersäteen energian jakautumisella on merkittävä vaikutus painettujen osien laatuun. Vaikka Gauss-säteitä on käytetty laajasti metallilaserlisäainevalmistuslaitteissa, niillä on vakavia haittoja, kuten epävakaa tulostuslaatu, alhainen energiankäyttö ja kapeita prosessiikkunoita lisäainevalmistusprosessissa. Niistä jauheen sulamisprosessi ja sulan altaan dynamiikka metallilaserin lisäysprosessin aikana liittyvät läheisesti jauhekerroksen paksuuteen. Jauheroiskeiden ja eroosioalueiden vuoksi jauhekerroksen todellinen paksuus on suurempi kuin teoreettinen odotus. Toiseksi höyrypylväs aiheutti suurimmat taaksepäin suunnatut suihkun roiskeet. Metallihöyry törmää takaseinään muodostaen roiskeita, jotka ruiskutetaan pitkin etuseinää kohtisuoraan sulan altaan koveraan alueeseen nähden (kuten kuvassa 3). Lasersäteen ja roiskeiden välisen monimutkaisen vuorovaikutuksen vuoksi roiskeet voivat vaikuttaa vakavasti seuraavien jauhekerrosten tulostuslaatuun. Lisäksi avaimenreikien muodostuminen sulatusaltaassa vaikuttaa vakavasti myös painettujen osien laatuun. Painetun kappaleen sisäiset huokoset johtuvat pääasiassa epävakaista lukitusrei'istä.
Palkinmuotoilutekniikan vikojen muodostumismekanismi
Säteen muotoilutekniikka voi parantaa suorituskykyä useissa ulottuvuuksissa samanaikaisesti, mikä eroaa Gaussin säteistä, jotka parantavat suorituskykyä yhdessä ulottuvuudessa muiden ulottuvuuksien uhraamisen kustannuksella. Säteen muotoilutekniikka voi säätää tarkasti sulatusaltaan lämpötilan jakautumista ja virtausominaisuuksia. Ohjaamalla laserenergian jakautumista saadaan suhteellisen vakaa sulaallas pienellä lämpötilagradientilla. Asianmukainen laserenergian jakautuminen auttaa vähentämään huokoisuutta ja sputterointivirheitä sekä parantamaan metalliosien lasertulostuksen laatua. Sillä voidaan saavuttaa erilaisia parannuksia tuotannon tehokkuudessa ja jauheen käytössä. Samaan aikaan säteen muotoilutekniikka tarjoaa meille enemmän käsittelystrategioita, mikä vapauttaa suuresti prosessisuunnittelun vapauden, mikä on vallankumouksellinen edistysaskel laserlisäainevalmistustekniikassa.
Postitusaika: 28.2.2024
