A tecnoloxía de fabricación aditiva 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, a aeroespacial, etc. (como boquillas de combustible de foguetes, soportes de antenas de satélite, implantes humanos, etc.). Esta tecnoloxía pode mellorar en gran medida o rendemento combinado das pezas impresas mediante a fabricación integrada da estrutura e o rendemento do material. Na actualidade, a tecnoloxía de fabricación aditiva láser xeralmente adopta un feixe gaussiano enfocado cunha distribución de enerxía central alta e de bordo baixa. Non obstante, a miúdo xera altos gradientes térmicos na masa fundida, o que leva á posterior formación 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 feixe láser.
En comparación coa subtracción tradicional e a fabricación equivalente, a tecnoloxía de fabricación aditiva metálica ten vantaxes como un curto tempo de ciclo de fabricación, unha alta precisión de procesamento, unha alta taxa de utilización de materiais e un bo rendemento xeral das pezas. Polo tanto, a tecnoloxía de fabricación aditiva metálica úsase amplamente en industrias como a aeroespacial, as armas e os equipos, a enerxía nuclear, a biofarmacéutica e a automoción. Baseada no principio do apilamento discreto, a fabricación aditiva metálica utiliza unha fonte de enerxía (como láser, arco ou feixe de electróns) para fundir o po ou o arame e, a continuación, apílaos capa por capa para fabricar o compoñente obxectivo. Esta tecnoloxía ten vantaxes significativas na produción de pequenos lotes, estruturas complexas ou pezas personalizadas. Os materiais que non se poden ou son difíciles de procesar mediante técnicas tradicionais tamén son axeitados para a preparación mediante métodos de fabricación aditiva. Debido ás vantaxes anteriores, a tecnoloxía de fabricación aditiva atraeu unha ampla atención por parte de estudosos tanto a nivel nacional como internacional. Nas últimas décadas, a tecnoloxía de fabricación aditiva fixo un rápido progreso. Debido á automatización e flexibilidade dos equipos de fabricación aditiva láser, así como ás amplas vantaxes da alta densidade de enerxía láser e a alta precisión de procesamento, a tecnoloxía de fabricación aditiva láser desenvolveuse como a máis rápida entre as tres tecnoloxías de fabricación aditiva metálica mencionadas anteriormente.
A tecnoloxía de fabricación aditiva por láser de metal 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 fusión láser selectiva (SLM), pode fabricar compoñentes metálicos complexos mediante a exploración de raios láser de alta enerxía ao longo dunha traxectoria fixa na superficie dun leito de po. Despois, o po fúndese e solidifícase capa por capa. O proceso DED inclúe principalmente dous procesos de impresión: a deposición por fusión láser e a fabricación aditiva con alimentación por fío láser. Ambas as dúas tecnoloxías poden fabricar e reparar directamente pezas metálicas alimentando de forma sincrona 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 comodamente materiais compostos e materiais con gradación funcional. Non obstante, a calidade superficial das pezas impresas por DED sempre é deficiente e é necesario un procesamento posterior para mellorar a precisión dimensional do compoñente obxectivo.
No proceso actual de fabricación aditiva por 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 provoque altos gradientes térmicos e inestabilidade na piscina de fusión, o que resulta nunha 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, o que exacerba aínda máis a inestabilidade do proceso LBPF. Polo tanto, cun aumento da porosidade, as propiedades mecánicas e a vida útil á fatiga das pezas impresas redúcense significativamente. A distribución desigual de enerxía dos feixes gaussianos tamén leva a unha baixa eficiencia de utilización da enerxía láser e a un desperdicio de enerxía excesivo. Para lograr unha mellor calidade de impresión, os estudosos comezaron a explorar a compensación dos defectos dos feixes 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 maior optimización. Por exemplo, aumentar a potencia do láser e a velocidade de dixitalización pode lograr unha alta eficiencia de fabricación, pero a miúdo ten o custo de sacrificar a calidade de impresión. Nos últimos anos, cambiar a distribución da enerxía do láser mediante estratexias de conformado do feixe pode mellorar significativamente a eficiencia de fabricación e a calidade de impresión, o que pode converterse na dirección de desenvolvemento futuro da tecnoloxía de fabricación aditiva por láser. A tecnoloxía de conformado do feixe xeralmente refírese a axustar a distribución da fronte de onda do feixe de entrada para obter as características de distribución de intensidade e propagación desexadas. A aplicación da tecnoloxía de conformado do feixe na tecnoloxía de fabricación aditiva de metal móstrase na Figura 2.
Aplicación da tecnoloxía de conformado de feixes na fabricación aditiva por láser
As desvantaxes da impresión tradicional por feixe gaussiano
Na tecnoloxía de fabricación aditiva con láser de metal, a distribución de enerxía do raio láser ten un impacto significativo na calidade das pezas impresas. Aínda que os raios gaussianos se empregaron amplamente nos equipos de fabricación aditiva con láser de metal, presentan graves inconvenientes, como unha calidade de impresión inestable, un baixo uso de enerxía e ventás de proceso estreitas no proceso de fabricación aditiva. Entre eles, o proceso de fusión do po e a dinámica da piscina fundida durante o proceso aditivo con láser de metal están estreitamente relacionados co grosor da capa de po. Debido á presenza de zonas de salpicaduras e erosión de po, o grosor real da capa de po é maior que a expectativa teórica. En segundo lugar, a columna de vapor provocou as principais salpicaduras cara atrás. O vapor metálico choca coa parede traseira para formar salpicaduras, que se pulverizan ao longo da parede frontal perpendicular á área 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 buratos de chave na piscina de fusión tamén afecta seriamente á calidade das pezas impresas. Os poros internos da peza impresa débense principalmente a orificios de bloqueo inestables.
O mecanismo de formación de defectos na tecnoloxía de conformación de feixes
A tecnoloxía de conformado de feixes pode conseguir unha mellora do rendemento en múltiples dimensións simultaneamente, o que é diferente dos feixes gaussianos que melloran o rendemento nunha dimensión a costa de sacrificar outras dimensións. A tecnoloxía de conformado de feixes pode axustar con precisión a distribución da temperatura e as características de fluxo da piscina de fusión. Ao controlar a distribución da enerxía láser, obtense unha piscina fundida relativamente estable cun pequeno gradiente de temperatura. Unha distribución axeitada da enerxía láser é beneficiosa para suprimir a porosidade e os defectos de pulverización catódica, e mellorar a calidade da impresión láser en pezas metálicas. Pode conseguir varias melloras na eficiencia da produción e na utilización do po. Ao mesmo tempo, a tecnoloxía de conformado de feixes ofrécenos máis estratexias de procesamento, liberando enormemente a liberdade de deseño de procesos, o que supón un progreso revolucionario na tecnoloxía de fabricación aditiva láser.
Data de publicación: 28 de febreiro de 2024
