Laser-lisäainevalmistustekniikka (AM), jonka etuna on korkea valmistustarkkuus, vahva joustavuus ja korkea automaatioaste, on laajalti käytössä keskeisten komponenttien valmistuksessa esimerkiksi autoteollisuudessa, lääketieteessä, ilmailu- ja avaruustekniikassa (kuten rakettipolttoainesuuttimet, satelliittiantennien kiinnikkeet, ihmisimplantit jne.). Tämä tekniikka voi parantaa huomattavasti painettujen osien yhdistelmäsuorituskykyä integroidun materiaalirakenteen ja suorituskyvyn valmistuksen avulla. Tällä hetkellä laser-lisäainevalmistustekniikka käyttää yleensä fokusoitua Gaussin sädettä, jolla on korkea keski- ja matala reunaenergian jakautuminen. Se kuitenkin usein tuottaa suuria lämpögradientteja sulassa, mikä johtaa huokosten ja karkeiden rakeiden muodostumiseen. Säteenmuokkaustekniikka on uusi menetelmä tämän ongelman ratkaisemiseksi, sillä se parantaa tulostustehokkuutta ja laatua säätämällä lasersäteen energian jakautumista.
Verrattuna perinteiseen vähennysmenetelmään ja vastaavaan valmistukseen, metallien lisäainevalmistustekniikalla on etuja, kuten lyhyt valmistussykliaika, korkea prosessointitarkkuus, korkea materiaalin käyttöaste ja osien hyvä yleinen suorituskyky. Siksi metallien lisäainevalmistustekniikkaa käytetään laajalti esimerkiksi ilmailu- ja avaruusteollisuudessa, ase- ja laiteteollisuudessa, ydinvoimassa, biolääketeollisuudessa ja autoteollisuudessa. Diskreetin pinoamisen periaatteeseen perustuvassa metallien lisäainevalmistuksessa käytetään energialähdettä (kuten laseria, valokaarta tai elektronisuihkua) jauheen tai langan sulattamiseen ja sitten pinotaan ne kerros kerrokselta kohdekomponentin valmistamiseksi. Tällä tekniikalla on merkittäviä etuja pienten erien, monimutkaisten rakenteiden tai räätälöityjen osien valmistuksessa. Materiaalit, joita ei voida tai on vaikea käsitellä perinteisillä tekniikoilla, soveltuvat myös lisäainevalmistusmenetelmillä valmistettaviksi. Edellä mainittujen etujen ansiosta lisäainevalmistustekniikka on herättänyt laajaa kiinnostusta tutkijoiden keskuudessa sekä kotimaassa että kansainvälisesti. Viime vuosikymmeninä lisäainevalmistustekniikka on kehittynyt nopeasti. Laservalmistuslaitteiden automaation ja joustavuuden sekä korkean laserenergiatiheyden ja korkean prosessointitarkkuuden kattavien etujen ansiosta laservalmistustekniikka on kehittynyt nopeimmin edellä mainituista kolmesta metallien lisäainevalmistustekniikasta.
Lasermetallien lisäainevalmistustekniikka voidaan jakaa edelleen LPBF- ja DED-menetelmiin. Kuva 1 esittää tyypillisen kaaviokuvan LPBF- ja DED-prosesseista. LPBF-prosessi, joka tunnetaan myös nimellä Selective Laser Melting (SLM), voi valmistaa monimutkaisia metallikomponentteja skannaamalla korkeaenergisiä lasersäteitä kiinteää reittiä pitkin jauhepatjan pinnalla. Sitten jauhe sulaa ja jähmettyy kerros kerrokselta. DED-prosessi sisältää pääasiassa kaksi painoprosessia: lasersulatuspinnoituksen ja laserlangansyöttöön perustuvan lisäainevalmistuksen. Molemmat näistä tekniikoista voivat suoraan valmistaa ja korjata metalliosia syöttämällä metallijauhetta tai -lankaa synkronoidusti. LPBF:ään verrattuna DED:llä on korkeampi tuottavuus ja suurempi valmistuspinta-ala. Lisäksi tällä menetelmällä voidaan kätevästi valmistaa myös komposiittimateriaaleja ja toiminnallisesti porrastettuja materiaaleja. DED:llä tulostettujen osien pinnanlaatu on kuitenkin aina heikko, ja kohdekomponentin mittatarkkuuden parantamiseksi tarvitaan jatkokäsittelyä.
Nykyisessä laserlisäainevalmistusprosessissa energianlähteenä toimii yleensä fokusoitu Gaussin säde. Ainutlaatuisen energiajakaumansa (korkea keskipiste, matala reuna) vuoksi se kuitenkin todennäköisesti aiheuttaa suuria lämpötilagradientteja ja sulan sula-altaan epävakautta. Tämä johtaa painettujen osien heikkoon muovauslaatuun. Lisäksi, jos sulan sula-altaan keskilämpötila on liian korkea, se aiheuttaa alhaisen sulamispisteen omaavien metallien höyrystymistä, mikä pahentaa entisestään LBPF-prosessin epävakautta. Näin ollen huokoisuuden kasvaessa painettujen osien mekaaniset ominaisuudet ja väsymiskestävyys heikkenevät merkittävästi. Gaussin säteiden epätasainen energiajakauma johtaa myös alhaiseen laserenergian käyttötehokkuuteen ja liialliseen energianhukkaan. Paremman tulostuslaadun saavuttamiseksi tutkijat ovat alkaneet selvittää Gaussin säteiden virheiden kompensointia muuttamalla prosessiparametreja, kuten lasertehoa, skannausnopeutta, jauhekerroksen paksuutta ja skannausstrategiaa, energiansyötön mahdollisuuksien hallitsemiseksi. Menetelmän erittäin kapean prosessointi-ikkunan vuoksi kiinteät fyysiset rajoitukset rajoittavat lisäoptimoinnin mahdollisuuksia. Esimerkiksi laserin tehon ja skannausnopeuden lisääminen voi saavuttaa korkean valmistustehokkuuden, mutta usein se tapahtuu tulostuslaadun uhraamisen hinnalla. Viime vuosina laserin energian jakautumisen muuttaminen säteen muotoilustrategioilla voi parantaa merkittävästi valmistustehokkuutta ja tulostuslaatua, mikä voi olla lasereiden lisäainevalmistusteknologian tuleva kehityssuunta. Säteen muotoiluteknologialla tarkoitetaan yleensä syöttösäteen aaltorintaman jakautumisen säätämistä halutun intensiteettijakauman ja etenemisominaisuuksien saavuttamiseksi. Säteen muotoiluteknologian soveltaminen metallien lisäainevalmistusteknologiassa on esitetty kuvassa 2.
Säteenmuokkaustekniikan soveltaminen laserlisäainevalmistuksessa
Perinteisen Gaussin sädetulostuksen puutteet
Metallilaser-lisäainevalmistustekniikassa lasersäteen energiajakaumalla on merkittävä vaikutus painettujen osien laatuun. Vaikka Gaussin säteitä on käytetty laajalti metallilaser-lisäainevalmistuslaitteissa, niillä on vakavia haittoja, kuten epävakaa tulostuslaatu, alhainen energiankulutus ja kapeat prosessi-ikkunat lisäainevalmistusprosessissa. Näistä jauheen sulamisprosessi ja sulan altaan dynamiikka metallilaser-lisäaineprosessin aikana liittyvät läheisesti jauhekerroksen paksuuteen. Jauheen roiskumis- ja eroosiovyöhykkeiden vuoksi jauhekerroksen todellinen paksuus on teoreettinen odotusarvoa suurempi. Toiseksi höyrypatsas aiheutti pääasialliset taaksepäin suuntautuvat roiskeet. Metallihöyry törmää takaseinään muodostaen roiskeita, jotka suihkuavat etuseinää pitkin kohtisuoraan sulan altaan koveraan alueeseen nähden (kuten kuvassa 3 on esitetty). Lasersäteen ja roiskeiden välisen monimutkaisen vuorovaikutuksen vuoksi suihkuavat roiskeet voivat vaikuttaa vakavasti seuraavien jauhekerrosten tulostuslaatuun. Lisäksi sulan altaan reikien muodostuminen vaikuttaa myös vakavasti painettujen osien laatuun. Painetun kappaleen sisäiset huokoset johtuvat pääasiassa epävakaista lukitusrei'istä.
Palkinmuokkaustekniikan virheiden muodostumismekanismi
Säteenmuokkausteknologia voi parantaa suorituskykyä useissa ulottuvuuksissa samanaikaisesti, mikä eroaa Gaussin säteistä, jotka parantavat suorituskykyä yhdessä ulottuvuudessa muiden ulottuvuuksien kustannuksella. Säteenmuokkausteknologia voi säätää tarkasti sulan altaan lämpötilajakaumaa ja virtausominaisuuksia. Ohjaamalla laserenergian jakautumista saadaan suhteellisen vakaa sula allas, jossa on pieni lämpötilagradientti. Sopiva laserenergian jakautuminen on hyödyllistä huokoisuuden ja sputterointivirheiden estämiseksi sekä lasertulostuksen laadun parantamiseksi metalliosille. Se voi saavuttaa useita parannuksia tuotantotehokkuuteen ja jauheen hyödyntämiseen. Samalla säteenmuokkausteknologia tarjoaa meille lisää prosessointistrategioita, mikä vapauttaa huomattavasti prosessisuunnittelun vapauden, mikä on mullistava edistysaskel laserlisäainevalmistusteknologiassa.
Julkaisun aika: 28. helmikuuta 2024
