Laser-additieve productietechnologie (AM), met zijn voordelen van hoge productieprecisie, grote flexibiliteit en hoge mate van automatisering, wordt veelvuldig gebruikt bij de productie van belangrijke componenten in sectoren zoals de automobielindustrie, de medische sector en de lucht- en ruimtevaart (zoals raketbrandstofinjectoren, satellietantennebeugels, menselijke implantaten, enz.). Deze technologie kan de gecombineerde prestaties van geprinte onderdelen aanzienlijk verbeteren door de geïntegreerde productie van materiaalstructuur en -eigenschappen. Momenteel maakt laser-additieve productietechnologie over het algemeen gebruik van een gefocusseerde Gaussische straal met een hoge energieverdeling in het midden en een lage energieverdeling aan de rand. Dit genereert echter vaak hoge temperatuurgradiënten in het smeltbad, wat leidt tot de vorming van poriën en grove korrels. Straalvormingstechnologie is een nieuwe methode om dit probleem op te lossen, die de printefficiëntie en -kwaliteit verbetert door de energieverdeling van de laserstraal aan te passen.
Vergeleken met traditionele methoden zoals subtractie en equivalente productie, biedt metaaladditieve productietechnologie voordelen zoals een korte productietijd, hoge verwerkingsnauwkeurigheid, een hoge materiaalbenutting en goede algehele prestaties van de onderdelen. Daarom wordt metaaladditieve productietechnologie veelvuldig gebruikt in industrieën zoals de lucht- en ruimtevaart, wapens en apparatuur, kernenergie, biofarmaceutica en de automobielindustrie. Gebaseerd op het principe van discrete stapeling, gebruikt metaaladditieve productie een energiebron (zoals een laser, boogontlading of elektronenbundel) om het poeder of de draad te smelten en deze vervolgens laagje voor laagje op te stapelen om het gewenste onderdeel te produceren. Deze technologie biedt aanzienlijke voordelen bij de productie van kleine series, complexe structuren of gepersonaliseerde onderdelen. Materialen die niet of moeilijk te verwerken zijn met traditionele technieken, lenen zich ook voor de productie met additieve methoden. Dankzij deze voordelen heeft additieve productietechnologie brede aandacht gekregen van wetenschappers in binnen- en buitenland. De afgelopen decennia heeft additieve productietechnologie een snelle ontwikkeling doorgemaakt. Door de automatisering en flexibiliteit van laseradditieve productieapparatuur, evenals de uitgebreide voordelen van een hoge laserenergiedichtheid en een hoge verwerkingsnauwkeurigheid, heeft laseradditieve productietechnologie zich het snelst ontwikkeld van de drie hierboven genoemde metaaladditieve productietechnologieën.
Lasertechnologie voor metaaladditieve productie kan verder worden onderverdeeld in LPBF en DED. Figuur 1 toont een typisch schematisch diagram van de LPBF- en DED-processen. Het LPBF-proces, ook bekend als Selective Laser Melting (SLM), kan complexe metalen componenten produceren door hoogenergetische laserstralen langs een vast pad over het oppervlak van een poederbed te scannen. Vervolgens smelt en stolt het poeder laagje voor laagje. Het DED-proces omvat hoofdzakelijk twee printprocessen: lasermeltdepositie en laserdraadaanvoer. Beide technologieën kunnen metalen onderdelen direct produceren en repareren door gelijktijdig metaalpoeder of -draad aan te voeren. Vergeleken met LPBF heeft DED een hogere productiviteit en een groter productieoppervlak. Bovendien kan deze methode ook gemakkelijk composietmaterialen en functioneel gegradeerde materialen produceren. De oppervlaktekwaliteit van met DED geprinte onderdelen is echter altijd minder goed en nabewerking is nodig om de dimensionale nauwkeurigheid van het component te verbeteren.
Bij de huidige laseradditieve productieprocessen wordt doorgaans een gefocusseerde Gaussische laserbundel als energiebron gebruikt. Door de unieke energieverdeling (hoge temperatuur in het midden, lage temperatuur aan de rand) kan deze bundel echter leiden tot hoge temperatuurgradiënten en instabiliteit van het smeltbad. Dit resulteert in een slechte vormkwaliteit van de geprinte onderdelen. Bovendien kan een te hoge temperatuur in het midden van het smeltbad ervoor zorgen dat metaalelementen met een laag smeltpunt verdampen, wat de instabiliteit van het LBPF-proces verder verergert. Hierdoor neemt de porositeit toe, wat de mechanische eigenschappen en de vermoeiingslevensduur van de geprinte onderdelen aanzienlijk vermindert. De ongelijkmatige energieverdeling van Gaussische laserbundels leidt ook tot een lage efficiëntie van de laserenergiebenutting en overmatig energieverlies. Om een betere printkwaliteit te bereiken, onderzoeken wetenschappers manieren om de tekortkomingen van Gaussische laserbundels te compenseren door procesparameters zoals laservermogen, scansnelheid, poederlaagdikte en scanstrategie aan te passen om de energie-input te beheersen. Vanwege het zeer smalle verwerkingsvenster van deze methode beperken de vaste fysieke beperkingen echter de mogelijkheden voor verdere optimalisatie. Het verhogen van het laservermogen en de scansnelheid kan bijvoorbeeld leiden tot een hoge productie-efficiëntie, maar dit gaat vaak ten koste van de printkwaliteit. De laatste jaren kan het aanpassen van de laserenergieverdeling door middel van beam shaping-strategieën de productie-efficiëntie en printkwaliteit aanzienlijk verbeteren. Dit zou wel eens de toekomstige ontwikkelingsrichting van laseradditieve productietechnologie kunnen worden. Beam shaping-technologie verwijst over het algemeen naar het aanpassen van de golffrontverdeling van de ingangsstraal om de gewenste intensiteitsverdeling en voortplantingskarakteristieken te verkrijgen. De toepassing van beam shaping-technologie in metaaladditieve productietechnologie wordt weergegeven in Figuur 2.
Toepassing van straalvormingstechnologie in laseradditieve productie
De tekortkomingen van traditioneel printen met een Gaussische bundel
Bij metaallaser-additieve productie heeft de energieverdeling van de laserstraal een aanzienlijke invloed op de kwaliteit van de geprinte onderdelen. Hoewel Gaussische stralen veelvuldig worden gebruikt in metaallaser-additieve productieapparatuur, hebben ze ernstige nadelen, zoals een instabiele printkwaliteit, een lage energie-efficiëntie en een smal procesvenster. Het smeltproces van het poeder en de dynamiek van het smeltbad tijdens het metaallaser-additieve proces zijn nauw verbonden met de dikte van de poederlaag. Door de aanwezigheid van poederspatten en erosiezones is de werkelijke dikte van de poederlaag hoger dan de theoretische verwachting. Ten tweede veroorzaakt de stoomkolom de belangrijkste achterwaartse straalspatten. De metaaldamp botst tegen de achterwand en vormt spatten, die langs de voorwand loodrecht op het concave gedeelte van het smeltbad worden gespoten (zie figuur 3). Door de complexe interactie tussen de laserstraal en de spatten kunnen de uitgestoten spatten de printkwaliteit van de daaropvolgende poederlagen ernstig beïnvloeden. Daarnaast heeft de vorming van sleutelgaten in het smeltbad ook een ernstige invloed op de kwaliteit van de geprinte onderdelen. De interne poriën van het geprinte onderdeel worden voornamelijk veroorzaakt door instabiele vergrendelingsgaten.
Het vormingsmechanisme van defecten in bundelvormingstechnologie
Met straalvormingstechnologie kunnen prestaties in meerdere dimensies tegelijk worden verbeterd, in tegenstelling tot Gaussische stralen die de prestaties in één dimensie verbeteren ten koste van andere dimensies. Straalvormingstechnologie kan de temperatuurverdeling en stromingseigenschappen van het smeltbad nauwkeurig aanpassen. Door de verdeling van de laserenergie te controleren, wordt een relatief stabiel smeltbad met een kleine temperatuurgradiënt verkregen. Een geschikte laserenergieverdeling is gunstig voor het onderdrukken van porositeit en sputterdefecten, en voor het verbeteren van de kwaliteit van laserprinten op metalen onderdelen. Het kan leiden tot diverse verbeteringen in productie-efficiëntie en poedergebruik. Tegelijkertijd biedt straalvormingstechnologie ons meer verwerkingsstrategieën, waardoor de ontwerpvrijheid voor processen aanzienlijk wordt vergroot. Dit is een revolutionaire vooruitgang in de laseradditieve productietechnologie.
Geplaatst op: 28 februari 2024
