Laser Additive Manufacturing (AM)-technologie, met zijn voordelen van hoge productienauwkeurigheid, sterke flexibiliteit en hoge mate van automatisering, wordt veel gebruikt bij de productie van belangrijke componenten op gebieden zoals de automobielsector, de medische sector, de ruimtevaart, enz. (zoals rakettechnologie, enz.). brandstofsproeiers, beugels voor satellietantennes, menselijke implantaten, enz.). Deze technologie kan de combinatieprestaties van geprinte onderdelen aanzienlijk verbeteren door middel van geïntegreerde productie van materiaalstructuur en prestaties. Op dit moment maakt de laser-additive manufacturing-technologie over het algemeen gebruik van een gefocusseerde Gauss-straal met een hoge midden- en lage randenergieverdeling. Het genereert echter vaak hoge thermische gradiënten in de smelt, wat leidt tot de daaropvolgende vorming van poriën en grove korrels. Beam shaping-technologie is een nieuwe methode om dit probleem op te lossen, waardoor de printefficiëntie en -kwaliteit worden verbeterd door de verdeling van de laserstraalenergie aan te passen.
Vergeleken met traditionele aftrekking en gelijkwaardige productie heeft metaaladditieve productietechnologie voordelen zoals een korte productiecyclustijd, hoge verwerkingsnauwkeurigheid, hoge materiaalbenuttingsgraad en goede algehele prestaties van onderdelen. Daarom wordt metaaladditieve productietechnologie veel gebruikt in industrieën zoals de lucht- en ruimtevaart, wapens en uitrusting, kernenergie, biofarmaceutica en auto's. Gebaseerd op het principe van discreet stapelen, maakt metaaladditieve productie gebruik van een energiebron (zoals een laser-, boog- of elektronenstraal) om het poeder of de draad te smelten, en stapelt ze vervolgens laag voor laag om het doelonderdeel te vervaardigen. Deze technologie heeft aanzienlijke voordelen bij het produceren van kleine batches, complexe structuren of gepersonaliseerde onderdelen. Materialen die niet of moeilijk met traditionele technieken te verwerken zijn, zijn ook geschikt voor bereiding met behulp van additive manufacturing-methoden. Vanwege de bovengenoemde voordelen heeft de technologie voor additieve productie brede aandacht getrokken van wetenschappers in binnen- en buitenland. De afgelopen decennia heeft de technologie voor additieve productie snelle vooruitgang geboekt. Dankzij de automatisering en flexibiliteit van laser-additieve productieapparatuur, evenals de uitgebreide voordelen van hoge laserenergiedichtheid en hoge verwerkingsnauwkeurigheid, heeft laser-additieve productietechnologie zich de snelste ontwikkeld van de drie hierboven genoemde metaal-additieve productietechnologieën.
Lasermetaaladditieve productietechnologie kan verder worden onderverdeeld in LPBF en DED. Figuur 1 toont een typisch schematisch diagram van LPBF- en DED-processen. Het LPBF-proces, ook bekend als Selective Laser Melting (SLM), kan complexe metalen componenten vervaardigen door hoogenergetische laserstralen langs een vast pad op het oppervlak van een poederbed te scannen. Vervolgens smelt het poeder en stolt het laag voor laag. Het DED-proces omvat hoofdzakelijk twee drukprocessen: lasersmeltafzetting en additieve productie met laserdraadaanvoer. Beide technologieën kunnen metalen onderdelen rechtstreeks vervaardigen en repareren door metaalpoeder of draad synchroon aan te voeren. Vergeleken met LPBF heeft DED een hogere productiviteit en een groter productieoppervlak. Bovendien kan deze methode ook gemakkelijk composietmaterialen en functioneel gesorteerde materialen bereiden. De oppervlaktekwaliteit van door DED geprinte onderdelen is echter altijd slecht, en daaropvolgende verwerking is nodig om de maatnauwkeurigheid van het doelonderdeel te verbeteren.
In het huidige laser-additieve productieproces is de gefocusseerde Gauss-straal meestal de energiebron. Vanwege de unieke energieverdeling (hoog midden, lage rand) is het echter waarschijnlijk dat dit hoge thermische gradiënten en instabiliteit van het smeltbad veroorzaakt. Dit resulteert in een slechte vormkwaliteit van de geprinte onderdelen. Als de centrale temperatuur van het gesmolten bad te hoog is, zullen de metaalelementen met een laag smeltpunt bovendien verdampen, waardoor de instabiliteit van het LBPF-proces verder wordt verergerd. Daarom worden bij een toename van de porositeit de mechanische eigenschappen en de levensduur van gedrukte onderdelen aanzienlijk verminderd. De ongelijkmatige energieverdeling van Gauss-bundels leidt ook tot een lage efficiëntie van het laserenergiegebruik en overmatig energieverspilling. Om een betere printkwaliteit te bereiken, zijn wetenschappers begonnen met het onderzoeken van de compensatie van de defecten van Gauss-bundels door procesparameters zoals laservermogen, scansnelheid, poederlaagdikte en scanstrategie aan te passen, om de mogelijkheid van energie-invoer te beheersen. Vanwege het zeer smalle verwerkingsvenster van deze methode beperken vaste fysieke beperkingen de mogelijkheid van verdere optimalisatie. Het verhogen van het laservermogen en de scansnelheid kan bijvoorbeeld een hoge productie-efficiëntie bereiken, maar gaat vaak ten koste van de printkwaliteit. De afgelopen jaren kan het veranderen van de laserenergieverdeling door middel van straalvormingsstrategieën de productie-efficiëntie en printkwaliteit aanzienlijk verbeteren, wat de toekomstige ontwikkelingsrichting van laser-additive manufacturing-technologie zou kunnen worden. Beam shaping-technologie verwijst doorgaans naar het aanpassen van de golffrontverdeling van de ingangsbundel om de gewenste intensiteitsverdeling en voortplantingskarakteristieken te verkrijgen. De toepassing van beam shaping-technologie in de technologie voor additieve productie van metalen wordt getoond in figuur 2.
Toepassing van straalvormende technologie bij laseradditieve productie
De tekortkomingen van traditioneel Gauss-straalafdrukken
Bij additieve productietechnologie met metaallasers heeft de energieverdeling van de laserstraal een aanzienlijke invloed op de kwaliteit van geprinte onderdelen. Hoewel Gauss-bundels op grote schaal worden gebruikt in apparatuur voor additieve productie met metaallasers, lijden ze aan ernstige nadelen, zoals een onstabiele printkwaliteit, een laag energieverbruik en smalle procesvensters in het additieve productieproces. Onder hen zijn het smeltproces van het poeder en de dynamiek van het gesmolten bad tijdens het metaallaseradditiefproces nauw verwant aan de dikte van de poederlaag. Door de aanwezigheid van poederspetters en erosiezones is de werkelijke dikte van de poederlaag hoger dan de theoretische verwachting. Ten tweede veroorzaakte de stoomkolom de belangrijkste achterwaartse straalspatten. De metaaldamp botst tegen de achterwand en vormt spatten, die loodrecht op het concave gebied van het gesmolten bad langs de voorwand worden gespoten (zoals weergegeven in figuur 3). Door de complexe interactie tussen de laserstraal en spatten kunnen de uitgestoten spatten de printkwaliteit van daaropvolgende poederlagen ernstig beïnvloeden. Bovendien heeft de vorming van sleutelgaten in het smeltbad ook ernstige gevolgen voor de kwaliteit van de geprinte onderdelen. De interne poriën van het bedrukte stuk worden voornamelijk veroorzaakt door onstabiele vergrendelingsgaten.
Het vormingsmechanisme van defecten in de bundelvormingstechnologie
Beam shaping-technologie kan prestatieverbetering in meerdere dimensies tegelijk bereiken, wat anders is dan Gaussiaanse balken die de prestaties in één dimensie verbeteren ten koste van het opofferen van andere dimensies. Beam shaping-technologie kan de temperatuurverdeling en stromingseigenschappen van het smeltbad nauwkeurig aanpassen. Door de verdeling van de laserenergie te regelen, wordt een relatief stabiel gesmolten zwembad met een kleine temperatuurgradiënt verkregen. Een juiste laserenergieverdeling is gunstig voor het onderdrukken van porositeit en sputterdefecten, en het verbeteren van de kwaliteit van laserprinten op metalen onderdelen. Het kan verschillende verbeteringen in de productie-efficiëntie en het poedergebruik bereiken. Tegelijkertijd biedt de beam shaping-technologie ons meer verwerkingsstrategieën, waardoor de vrijheid van procesontwerp aanzienlijk wordt bevrijd, wat een revolutionaire vooruitgang is in de laser-additive manufacturing-technologie.
Posttijd: 28 februari 2024
