Aplicación da tecnoloxía de conformación do feixe na fabricación aditiva láser metálico

A tecnoloxía de fabricación aditiva con láser (AM), coas súas vantaxes de alta precisión de fabricación, forte flexibilidade e alto grao de automatización, úsase amplamente na fabricación de compoñentes clave en campos como a automoción, a medicina, o aeroespacial, etc. (como foguetes). toberas de combustible, soportes de antena de satélite, implantes humanos, etc.). Esta tecnoloxía pode mellorar moito o rendemento combinado das pezas impresas mediante a fabricación integrada de estrutura e rendemento do material. Na actualidade, a tecnoloxía de fabricación aditiva con láser adopta xeralmente un feixe gaussiano enfocado cun centro alto e unha distribución de enerxía de bordo baixo. Non obstante, adoita xerar altos gradientes térmicos na fusión, o que leva á formación posterior de poros e grans grosos. A tecnoloxía de conformación do feixe é un novo método para resolver este problema, que mellora a eficiencia e a calidade da impresión axustando a distribución da enerxía do raio láser.

En comparación coa subtracción tradicional e a fabricación equivalente, a tecnoloxía de fabricación de aditivos metálicos ten vantaxes como un tempo de ciclo de fabricación curto, unha alta precisión de procesamento, unha alta taxa de utilización de material e un bo rendemento xeral das pezas. Polo tanto, a tecnoloxía de fabricación de aditivos metálicos é amplamente utilizada en industrias como a aeroespacial, armas e equipamentos, enerxía nuclear, biofarmacéutica e automóbiles. Baseándose no principio de empilhado discreto, a fabricación de aditivos metálicos utiliza unha fonte de enerxía (como láser, arco ou feixe de electróns) para fundir o po ou o fío e, a continuación, apílaos capa por capa para fabricar o compoñente obxectivo. Esta tecnoloxía ten vantaxes importantes na produción de pequenos lotes, estruturas complexas ou pezas personalizadas. Os materiais que non poden ser ou son difíciles de procesar mediante técnicas tradicionais tamén son axeitados para a elaboración mediante métodos de fabricación aditiva. Debido ás vantaxes anteriores, a tecnoloxía de fabricación aditiva atraeu unha ampla atención dos estudosos tanto a nivel nacional como internacional. Nas últimas décadas, a tecnoloxía de fabricación aditiva avanzou rapidamente. Debido á automatización e flexibilidade dos equipos de fabricación aditiva con láser, así como ás amplas vantaxes da alta densidade de enerxía do láser e da alta precisión de procesamento, a tecnoloxía de fabricación aditiva con láser desenvolveu a máis rápida entre as tres tecnoloxías de fabricación aditiva metálica mencionadas anteriormente.

A tecnoloxía de fabricación de aditivos metálicos con láser pódese dividir aínda máis en LPBF e DED. A figura 1 mostra un diagrama esquemático típico dos procesos LPBF e DED. O proceso LPBF, tamén coñecido como Selective Laser Melting (SLM), pode fabricar compoñentes metálicos complexos escaneando raios láser de alta enerxía ao longo dun camiño fixo na superficie dun leito de po. Despois, o po derrete e solidifica capa por capa. O proceso DED inclúe principalmente dous procesos de impresión: a deposición por fusión con láser e a fabricación de aditivos de alimentación con fío láser. Ambas estas tecnoloxías poden fabricar e reparar directamente pezas metálicas alimentando de forma sincronizada po ou fío metálico. En comparación co LPBF, o DED ten unha maior produtividade e unha maior área de fabricación. Ademais, este método tamén pode preparar convenientemente materiais compostos e materiais clasificados funcionalmente. Non obstante, a calidade superficial das pezas impresas por DED é sempre deficiente e é necesario un procesamento posterior para mellorar a precisión dimensional do compoñente obxectivo.

No actual proceso de fabricación aditiva con láser, o feixe gaussiano enfocado adoita ser a fonte de enerxía. Non obstante, debido á súa distribución de enerxía única (centro alto, bordo baixo), é probable que cause altos gradientes térmicos e inestabilidade da piscina de fusión. O resultado é unha mala calidade de conformado das pezas impresas. Ademais, se a temperatura central da piscina fundida é demasiado alta, fará que os elementos metálicos de baixo punto de fusión se vaporicen, agravando aínda máis a inestabilidade do proceso LBPF. Polo tanto, cun aumento da porosidade, as propiedades mecánicas e a vida útil das pezas impresas redúcense significativamente. A distribución desigual de enerxía dos raios gaussianos tamén leva a unha baixa eficiencia de utilización da enerxía do láser e un desperdicio excesivo de enerxía. Para conseguir unha mellor calidade de impresión, os estudosos comezaron a explorar a compensación dos defectos dos raios gaussianos modificando parámetros do proceso como a potencia do láser, a velocidade de dixitalización, o grosor da capa de po e a estratexia de dixitalización, co fin de controlar a posibilidade de entrada de enerxía. Debido á xanela de procesamento moi estreita deste método, as limitacións físicas fixas limitan a posibilidade dunha optimización adicional. Por exemplo, o aumento da potencia do láser e da velocidade de dixitalización pode acadar unha alta eficiencia de fabricación, pero moitas veces ten o custo de sacrificar a calidade de impresión. Nos últimos anos, cambiar a distribución de enerxía do láser mediante estratexias de conformación do feixe pode mellorar significativamente a eficiencia da fabricación e a calidade de impresión, o que pode converterse na dirección de desenvolvemento futuro da tecnoloxía de fabricación aditiva con láser. A tecnoloxía de conformación do feixe refírese xeralmente ao axuste da distribución da fronte de onda do feixe de entrada para obter as características de propagación e distribución de intensidade desexadas. A aplicación da tecnoloxía de conformación de vigas na tecnoloxía de fabricación aditiva metálica móstrase na Figura 2.

Aplicación da tecnoloxía de conformación do feixe na fabricación aditiva láser

As deficiencias da impresión tradicional de feixe gaussiano

Na tecnoloxía de fabricación aditiva con láser metálico, a distribución de enerxía do raio láser ten un impacto significativo na calidade das pezas impresas. Aínda que os feixes gaussianos foron amplamente utilizados nos equipos de fabricación aditiva con láser metálico, sofren graves inconvenientes como a calidade de impresión inestable, a baixa utilización de enerxía e as ventás estreitas do proceso no proceso de fabricación aditiva. Entre eles, o proceso de fusión do po e a dinámica da piscina fundida durante o proceso de aditivo láser metálico están estreitamente relacionados co espesor da capa de po. Debido á presenza de salpicaduras de po e zonas de erosión, o grosor real da capa de po é superior á expectativa teórica. En segundo lugar, a columna de vapor causou as principais salpicaduras do chorro cara atrás. O vapor metálico choca coa parede traseira para formar salpicaduras, que se pulverizan ao longo da parede frontal perpendicularmente á zona cóncava da piscina fundida (como se mostra na Figura 3). Debido á complexa interacción entre o raio láser e as salpicaduras, as salpicaduras expulsadas poden afectar seriamente a calidade de impresión das capas de po posteriores. Ademais, a formación de ocos de chave na piscina de fusión tamén afecta seriamente a calidade das pezas impresas. Os poros internos da peza impresa son causados ​​principalmente por orificios de bloqueo inestables.

O mecanismo de formación de defectos na tecnoloxía de conformación do feixe

A tecnoloxía de conformación do feixe pode mellorar o rendemento en varias dimensións simultaneamente, o que é diferente dos feixes gaussianos que melloran o rendemento nunha dimensión a costa de sacrificar outras dimensións. A tecnoloxía de conformación do feixe pode axustar con precisión a distribución da temperatura e as características de fluxo da piscina de fusión. Ao controlar a distribución da enerxía do láser, obtense unha piscina fundida relativamente estable cun pequeno gradiente de temperatura. A distribución de enerxía láser adecuada é beneficiosa para suprimir a porosidade e os defectos de pulverización catódica e mellorar a calidade da impresión con láser en pezas metálicas. Pode conseguir varias melloras na eficiencia da produción e na utilización do po. Ao mesmo tempo, a tecnoloxía de conformación do feixe ofrécenos máis estratexias de procesamento, liberando moito a liberdade de deseño do proceso, o que supón un avance revolucionario na tecnoloxía de fabricación aditiva con láser.