Laseraditiewe vervaardigingstegnologie (LAS), met sy voordele van hoë vervaardigingsakkuraatheid, sterk buigsaamheid en 'n hoë mate van outomatisering, word wyd gebruik in die vervaardiging van sleutelkomponente in velde soos motorvoertuie, medisyne, lugvaart, ens. (soos vuurpylbrandstofspuitstukke, satellietantenna-hakies, menslike inplantings, ens.). Hierdie tegnologie kan die kombinasieprestasie van gedrukte onderdele aansienlik verbeter deur geïntegreerde vervaardiging van materiaalstruktuur en -prestasie. Tans gebruik laseradditiewe vervaardigingstegnologie gewoonlik 'n gefokusde Gaussiese straal met 'n hoë middelpunt- en lae randenergieverspreiding. Dit genereer egter dikwels hoë termiese gradiënte in die smelt, wat lei tot die daaropvolgende vorming van porieë en growwe korrels. Straalvormingstegnologie is 'n nuwe metode om hierdie probleem op te los, wat drukdoeltreffendheid en -kwaliteit verbeter deur die verspreiding van laserstraalenergie aan te pas.
In vergelyking met tradisionele aftrekking en ekwivalente vervaardiging, het metaaladditiewe vervaardigingstegnologie voordele soos kort vervaardigingsiklustyd, hoë verwerkingsakkuraatheid, hoë materiaalbenuttingstempo en goeie algehele werkverrigting van onderdele. Daarom word metaaladditiewe vervaardigingstegnologie wyd gebruik in nywerhede soos lugvaart, wapens en toerusting, kernkrag, biofarmaseutiese produkte en motors. Gebaseer op die beginsel van diskrete stapeling, gebruik metaaladditiewe vervaardiging 'n energiebron (soos laser, boog of elektronstraal) om die poeier of draad te smelt, en stapel dit dan laag vir laag om die teikenkomponent te vervaardig. Hierdie tegnologie het beduidende voordele in die vervaardiging van klein hoeveelhede, komplekse strukture of gepersonaliseerde onderdele. Materiale wat nie met tradisionele tegnieke verwerk kan word of moeilik is om te verwerk nie, is ook geskik vir voorbereiding met behulp van additiewe vervaardigingsmetodes. As gevolg van bogenoemde voordele, het additiewe vervaardigingstegnologie wydverspreide aandag getrek van geleerdes, beide plaaslik en internasionaal. In die afgelope paar dekades het additiewe vervaardigingstegnologie vinnige vordering gemaak. As gevolg van die outomatisering en buigsaamheid van laseradditiewe vervaardigingstoerusting, sowel as die omvattende voordele van hoë laserenergiedigtheid en hoë verwerkingsakkuraatheid, het laseradditiewe vervaardigingstegnologie die vinnigste ontwikkel onder die drie bogenoemde metaaladditiewe vervaardigingstegnologieë.
Lasermetaal-additiewe vervaardigingstegnologie kan verder verdeel word in LPBF en DED. Figuur 1 toon 'n tipiese skematiese diagram van LPBF- en DED-prosesse. Die LPBF-proses, ook bekend as Selektiewe Lasersmelting (SLM), kan komplekse metaalkomponente vervaardig deur hoë-energie laserstrale langs 'n vaste pad op die oppervlak van 'n poeierbed te skandeer. Dan smelt die poeier en stol laag vir laag. Die DED-proses sluit hoofsaaklik twee drukprosesse in: lasersmeltafsetting en laserdraadvoeding-additiewe vervaardiging. Beide hierdie tegnologieë kan metaalonderdele direk vervaardig en herstel deur metaalpoeier of draad sinchronies te voer. In vergelyking met LPBF het DED hoër produktiwiteit en 'n groter vervaardigingsarea. Daarbenewens kan hierdie metode ook gerieflik saamgestelde materiale en funksioneel gegradeerde materiale voorberei. Die oppervlakkwaliteit van onderdele wat deur DED gedruk word, is egter altyd swak, en daaropvolgende verwerking is nodig om die dimensionele akkuraatheid van die teikenkomponent te verbeter.
In die huidige laser-additiewe vervaardigingsproses is die gefokusde Gaussiese straal gewoonlik die energiebron. As gevolg van sy unieke energieverspreiding (hoë middelpunt, lae rand), is dit egter geneig om hoë termiese gradiënte en onstabiliteit van die smeltpoel te veroorsaak. Dit lei tot swak vormkwaliteit van gedrukte onderdele. Boonop, as die middelpunttemperatuur van die smeltpoel te hoog is, sal dit veroorsaak dat die metaalelemente met 'n lae smeltpunt verdamp, wat die onstabiliteit van die LBPF-proses verder vererger. Daarom, met 'n toename in porositeit, word die meganiese eienskappe en moegheidslewe van gedrukte onderdele aansienlik verminder. Die ongelyke energieverspreiding van Gaussiese strale lei ook tot lae laserenergiebenuttingsdoeltreffendheid en oormatige energievermorsing. Om beter drukkwaliteit te bereik, het geleerdes begin om te ondersoek hoe om vir die defekte van Gaussiese strale te kompenseer deur prosesparameters soos laserkrag, skanderingspoed, poeierlaagdikte en skanderingstrategie te wysig om die moontlikheid van energie-invoer te beheer. As gevolg van die baie nou verwerkingsvenster van hierdie metode, beperk vaste fisiese beperkings die moontlikheid van verdere optimalisering. Byvoorbeeld, die verhoging van laserkrag en skanderingspoed kan hoë vervaardigingsdoeltreffendheid bereik, maar dit gaan dikwels ten koste van die prysgawe van drukkwaliteit. In onlangse jare kan die verandering van die laserenergieverspreiding deur middel van straalvormingstrategieë die vervaardigingsdoeltreffendheid en drukkwaliteit aansienlik verbeter, wat die toekomstige ontwikkelingsrigting van laseradditiewe vervaardigingstegnologie kan word. Straalvormingstegnologie verwys oor die algemeen na die aanpassing van die golffrontverspreiding van die insetstraal om die verlangde intensiteitsverspreiding en voortplantingseienskappe te verkry. Die toepassing van straalvormingstegnologie in metaaladditiewe vervaardigingstegnologie word in Figuur 2 getoon.
Toepassing van straalvormingstegnologie in laseradditiewe vervaardiging
Die tekortkominge van tradisionele Gaussiese straaldrukwerk
In metaallaser-additiewe vervaardigingstegnologie het die energieverspreiding van die laserstraal 'n beduidende impak op die kwaliteit van gedrukte onderdele. Alhoewel Gaussiese strale wyd gebruik is in metaallaser-additiewe vervaardigingstoerusting, ly hulle aan ernstige nadele soos onstabiele drukkwaliteit, lae energieverbruik en nou prosesvensters in die additiewe vervaardigingsproses. Onder andere is die smeltproses van die poeier en die dinamika van die gesmelte poel tydens die metaallaser-additiewe proses nou verwant aan die dikte van die poeierlaag. As gevolg van die teenwoordigheid van poeierspatsels en erosiesones, is die werklike dikte van die poeierlaag hoër as die teoretiese verwagting. Tweedens het die stoomkolom die hoof agterwaartse straalspatsels veroorsaak. Die metaaldamp bots met die agterwand om spatsels te vorm, wat langs die voorwand loodreg op die konkawe area van die gesmelte poel gespuit word (soos getoon in Figuur 3). As gevolg van die komplekse interaksie tussen die laserstraal en spatsels, kan die uitgeworpe spatsels die drukkwaliteit van daaropvolgende poeierlae ernstig beïnvloed. Daarbenewens beïnvloed die vorming van sleutelgate in die smeltpoel ook die kwaliteit van gedrukte onderdele ernstig. Die interne porieë van die gedrukte stuk word hoofsaaklik veroorsaak deur onstabiele sluitgate.
Die vormingmeganisme van defekte in balkvormingstegnologie
Straalvormingstegnologie kan gelyktydig prestasieverbetering in verskeie dimensies bewerkstellig, wat verskil van Gaussiese strale wat prestasie in een dimensie verbeter ten koste van die opoffering van ander dimensies. Straalvormingstegnologie kan die temperatuurverspreiding en vloei-eienskappe van die smeltpoel akkuraat aanpas. Deur die verspreiding van laserenergie te beheer, word 'n relatief stabiele smeltpoel met 'n klein temperatuurgradiënt verkry. Gepaste laserenergieverspreiding is voordelig vir die onderdrukking van porositeit en verstuiwingsdefekte, en die verbetering van die kwaliteit van laserdrukwerk op metaalonderdele. Dit kan verskeie verbeterings in produksiedoeltreffendheid en poeierbenutting bewerkstellig. Terselfdertyd bied straalvormingstegnologie ons meer verwerkingsstrategieë, wat die vryheid van prosesontwerp aansienlik bevry, wat 'n revolusionêre vooruitgang in laseradditiewe vervaardigingstegnologie is.
Plasingstyd: 28 Februarie 2024
