کاربرد فناوری شکل دهی پرتو در تولید افزودنی لیزر فلزی

فناوری ساخت افزودنی لیزری (AM) با مزایای دقت ساخت بالا، انعطاف پذیری قوی و درجه اتوماسیون بالا، به طور گسترده در ساخت قطعات کلیدی در زمینه هایی مانند خودرو، پزشکی، هوافضا و غیره (مانند موشک) استفاده می شود. نازل های سوخت، براکت های آنتن ماهواره، ایمپلنت های انسانی و غیره). این فناوری می تواند عملکرد ترکیبی قطعات چاپی را از طریق ساخت یکپارچه ساختار و عملکرد مواد بهبود بخشد. در حال حاضر، فناوری تولید افزودنی لیزری به طور کلی از یک پرتو گاوسی متمرکز با توزیع انرژی مرکز بالا و لبه پایین استفاده می کند. با این حال، اغلب شیب حرارتی بالایی در مذاب ایجاد می کند که منجر به تشکیل منافذ و دانه های درشت می شود. فناوری شکل دهی پرتو روشی جدید برای حل این مشکل است که با تنظیم توزیع انرژی پرتو لیزر، کارایی و کیفیت چاپ را بهبود می بخشد.

در مقایسه با تفریق سنتی و ساخت معادل، فناوری ساخت افزودنی فلزی دارای مزایایی مانند زمان چرخه تولید کوتاه، دقت پردازش بالا، میزان استفاده بالا از مواد و عملکرد کلی خوب قطعات است. بنابراین، فناوری ساخت افزودنی های فلزی به طور گسترده در صنایعی مانند هوافضا، تسلیحات و تجهیزات، انرژی هسته ای، بیوداروها و خودروسازی استفاده می شود. بر اساس اصل انباشتگی گسسته، تولید افزودنی های فلزی از یک منبع انرژی (مانند لیزر، قوس یا پرتو الکترونی) برای ذوب پودر یا سیم استفاده می کند و سپس آنها را لایه به لایه برای تولید جزء هدف روی هم قرار می دهد. این فناوری مزایای قابل توجهی در تولید دسته های کوچک، ساختارهای پیچیده یا قطعات شخصی سازی شده دارد. موادی که نمی توانند یا پردازش آنها با استفاده از تکنیک های سنتی دشوار است نیز برای آماده سازی با استفاده از روش های ساخت افزودنی مناسب هستند. با توجه به مزایای فوق، فناوری ساخت افزودنی توجه گسترده ای را از سوی محققان داخلی و بین المللی به خود جلب کرده است. در چند دهه گذشته، فناوری ساخت افزودنی پیشرفت سریعی داشته است. با توجه به اتوماسیون و انعطاف‌پذیری تجهیزات تولید افزودنی لیزر و همچنین مزایای جامع چگالی انرژی لیزر بالا و دقت پردازش بالا، فناوری ساخت افزودنی لیزر سریع‌ترین را در بین سه فناوری تولید افزودنی‌های فلزی ذکر شده در بالا توسعه داده است.

فناوری تولید افزودنی های فلزی لیزری را می توان به LPBF و DED تقسیم کرد. شکل 1 یک نمودار شماتیک معمولی از فرآیندهای LPBF و DED را نشان می دهد. فرآیند LPBF، همچنین به عنوان ذوب لیزری انتخابی (SLM) شناخته می شود، می تواند اجزای فلزی پیچیده ای را با اسکن پرتوهای لیزر پرانرژی در امتداد یک مسیر ثابت روی سطح یک بستر پودری تولید کند. سپس پودر ذوب شده و لایه به لایه جامد می شود. فرآیند DED عمدتاً شامل دو فرآیند چاپ است: رسوب ذوب لیزری و تولید افزودنی تغذیه سیم لیزری. هر دوی این فناوری ها می توانند به طور مستقیم قطعات فلزی را با تغذیه همزمان پودر یا سیم فلزی تولید و تعمیر کنند. در مقایسه با LPBF، DED بهره وری بالاتر و منطقه تولید بزرگتری دارد. علاوه بر این، این روش همچنین می تواند به راحتی مواد کامپوزیتی و مواد درجه بندی شده را تهیه کند. با این حال، کیفیت سطح قطعات چاپ شده توسط DED همیشه ضعیف است و پردازش بعدی برای بهبود دقت ابعادی جزء هدف مورد نیاز است.

در فرآیند تولید افزودنی لیزر فعلی، پرتو گاوسی متمرکز معمولا منبع انرژی است. با این حال، به دلیل توزیع انرژی منحصر به فرد آن (مرکز بالا، لبه پایین)، احتمالاً باعث شیب حرارتی بالا و ناپایداری حوضچه مذاب می شود. در نتیجه کیفیت فرم دهی ضعیف قطعات چاپ شده. علاوه بر این، اگر دمای مرکزی حوضچه مذاب بیش از حد بالا باشد، باعث تبخیر عناصر فلزی با نقطه ذوب پایین می شود و بی ثباتی فرآیند LBPF را تشدید می کند. بنابراین با افزایش تخلخل، خواص مکانیکی و عمر خستگی قطعات چاپی به میزان قابل توجهی کاهش می یابد. توزیع نابرابر انرژی پرتوهای گاوسی همچنین منجر به راندمان کم استفاده از انرژی لیزر و اتلاف بیش از حد انرژی می شود. به منظور دستیابی به کیفیت چاپ بهتر، محققان شروع به بررسی جبران عیوب پرتوهای گاوسی با اصلاح پارامترهای فرآیند مانند توان لیزر، سرعت اسکن، ضخامت لایه پودر و استراتژی اسکن کرده اند تا امکان ورودی انرژی را کنترل کنند. با توجه به پنجره پردازش بسیار باریک این روش، محدودیت های فیزیکی ثابت امکان بهینه سازی بیشتر را محدود می کند. به عنوان مثال، افزایش قدرت لیزر و سرعت اسکن می‌تواند به راندمان تولید بالا دست یابد، اما اغلب به قیمت از دست دادن کیفیت چاپ تمام می‌شود. در سال‌های اخیر، تغییر توزیع انرژی لیزر از طریق استراتژی‌های شکل‌دهی پرتو می‌تواند به طور قابل‌توجهی راندمان تولید و کیفیت چاپ را بهبود بخشد، که ممکن است به جهت توسعه آینده فناوری تولید افزودنی لیزر تبدیل شود. فناوری شکل دهی پرتو به طور کلی به تنظیم توزیع جبهه موج پرتو ورودی برای به دست آوردن ویژگی های توزیع شدت و انتشار مورد نظر اشاره دارد. کاربرد فناوری شکل دهی تیر در تکنولوژی ساخت افزودنی های فلزی در شکل 2 نشان داده شده است.

کاربرد فناوری شکل دهی پرتو در تولید افزودنی های لیزری

کاستی‌های چاپ سنتی گاوسی

در تکنولوژی ساخت افزودنی لیزر فلزی، توزیع انرژی پرتو لیزر تاثیر بسزایی بر کیفیت قطعات چاپی دارد. اگرچه پرتوهای گاوسی به طور گسترده در تجهیزات تولید مواد افزودنی لیزر فلزی استفاده می‌شوند، اما از اشکالات جدی مانند کیفیت چاپ ناپایدار، استفاده کم انرژی و پنجره‌های فرآیند باریک در فرآیند تولید افزودنی رنج می‌برند. از این میان، فرآیند ذوب پودر و پویایی حوضچه مذاب در طول فرآیند افزودنی لیزر فلزی ارتباط نزدیکی با ضخامت لایه پودری دارد. به دلیل وجود مناطق پاشش پودر و فرسایش، ضخامت واقعی لایه پودری بیشتر از انتظار تئوری است. ثانیاً، ستون بخار باعث پاشش جت اصلی به عقب شد. بخار فلزی با دیواره عقب برخورد می کند و پاشش هایی ایجاد می کند که در امتداد دیواره جلویی عمود بر ناحیه مقعر حوضچه مذاب پاشیده می شود (همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است). با توجه به تعامل پیچیده بین پرتو لیزر و پاشش، پاشش های بیرون زده می تواند به طور جدی بر کیفیت چاپ لایه های پودری بعدی تأثیر بگذارد. علاوه بر این، ایجاد سوراخ کلید در حوضچه مذاب نیز به طور جدی بر کیفیت قطعات چاپ شده تأثیر می گذارد. منافذ داخلی قطعه چاپ شده عمدتاً ناشی از سوراخ های قفل ناپایدار است.

مکانیسم تشکیل عیوب در فناوری شکل دهی تیر

فناوری شکل دهی پرتو می تواند به بهبود عملکرد در چندین بعد به طور همزمان دست یابد، که با تیرهای گاوسی که عملکرد را در یک بعد به قیمت قربانی کردن سایر ابعاد بهبود می بخشد متفاوت است. فناوری شکل دهی پرتو می تواند توزیع دما و ویژگی های جریان حوضچه مذاب را به دقت تنظیم کند. با کنترل توزیع انرژی لیزر، یک حوضچه مذاب نسبتاً پایدار با گرادیان دمایی کم به دست می آید. توزیع مناسب انرژی لیزر برای از بین بردن تخلخل و عیوب کندوپاش و بهبود کیفیت چاپ لیزری بر روی قطعات فلزی مفید است. این می تواند به پیشرفت های مختلفی در راندمان تولید و استفاده از پودر دست یابد. در عین حال، فناوری شکل‌دهی پرتو، استراتژی‌های پردازش بیشتری را در اختیار ما قرار می‌دهد و آزادی طراحی فرآیند را تا حد زیادی آزاد می‌کند، که یک پیشرفت انقلابی در فناوری تولید افزودنی لیزر است.