فناوری تولید افزایشی لیزری (AM)، با مزایای دقت بالای تولید، انعطافپذیری قوی و درجه بالای اتوماسیون، به طور گسترده در ساخت قطعات کلیدی در زمینههایی مانند خودرو، پزشکی، هوافضا و غیره (مانند نازلهای سوخت موشک، براکتهای آنتن ماهواره، ایمپلنتهای انسانی و غیره) مورد استفاده قرار میگیرد. این فناوری میتواند عملکرد ترکیبی قطعات چاپ شده را از طریق تولید یکپارچه ساختار و عملکرد مواد، تا حد زیادی بهبود بخشد. در حال حاضر، فناوری تولید افزایشی لیزری عموماً از یک پرتو گاوسی متمرکز با توزیع انرژی مرکز بالا و لبه پایین استفاده میکند. با این حال، اغلب گرادیانهای حرارتی بالایی در مذاب ایجاد میکند که منجر به تشکیل بعدی منافذ و دانههای درشت میشود. فناوری شکلدهی پرتو روشی جدید برای حل این مشکل است که با تنظیم توزیع انرژی پرتو لیزر، راندمان و کیفیت چاپ را بهبود میبخشد.
در مقایسه با تولید سنتی تفریقی و معادل آن، فناوری تولید افزایشی فلز مزایایی مانند زمان چرخه تولید کوتاه، دقت پردازش بالا، نرخ بالای استفاده از مواد و عملکرد کلی خوب قطعات دارد. بنابراین، فناوری تولید افزایشی فلز به طور گسترده در صنایعی مانند هوافضا، سلاح و تجهیزات، انرژی هستهای، زیستداروها و خودروها مورد استفاده قرار میگیرد. بر اساس اصل انباشتگی گسسته، تولید افزایشی فلز از یک منبع انرژی (مانند لیزر، قوس یا پرتو الکترونی) برای ذوب پودر یا سیم استفاده میکند و سپس آنها را لایه به لایه روی هم قرار میدهد تا قطعه مورد نظر را تولید کند. این فناوری مزایای قابل توجهی در تولید دستههای کوچک، ساختارهای پیچیده یا قطعات شخصیسازی شده دارد. موادی که نمیتوان با استفاده از تکنیکهای سنتی پردازش کرد یا پردازش آنها دشوار است، برای آمادهسازی با استفاده از روشهای تولید افزایشی نیز مناسب هستند. با توجه به مزایای فوق، فناوری تولید افزایشی توجه گسترده محققان داخلی و بینالمللی را به خود جلب کرده است. در چند دهه گذشته، فناوری تولید افزایشی پیشرفت سریعی داشته است. به دلیل اتوماسیون و انعطافپذیری تجهیزات تولید افزایشی لیزری و همچنین مزایای جامع چگالی انرژی بالای لیزر و دقت پردازش بالا، فناوری تولید افزایشی لیزری در بین سه فناوری تولید افزایشی فلزی ذکر شده در بالا، سریعترین رشد را داشته است.
فناوری تولید افزایشی فلز با لیزر را میتوان به LPBF و DED تقسیم کرد. شکل 1 نمودار شماتیک معمولی از فرآیندهای LPBF و DED را نشان میدهد. فرآیند LPBF که با نام ذوب لیزری انتخابی (SLM) نیز شناخته میشود، میتواند قطعات فلزی پیچیده را با اسکن پرتوهای لیزر پرانرژی در امتداد یک مسیر ثابت روی سطح بستر پودر تولید کند. سپس، پودر لایه به لایه ذوب و جامد میشود. فرآیند DED عمدتاً شامل دو فرآیند چاپ است: رسوب ذوب لیزری و تولید افزایشی تغذیه سیم لیزری. هر دوی این فناوریها میتوانند مستقیماً قطعات فلزی را با تغذیه همزمان پودر یا سیم فلزی تولید و تعمیر کنند. در مقایسه با LPBF، DED بهرهوری بالاتر و مساحت تولید بزرگتری دارد. علاوه بر این، این روش همچنین میتواند به راحتی مواد کامپوزیتی و مواد درجهبندی شده عملکردی را آماده کند. با این حال، کیفیت سطح قطعات چاپ شده توسط DED همیشه ضعیف است و پردازش بعدی برای بهبود دقت ابعادی قطعه هدف مورد نیاز است.
در فرآیند تولید افزایشی لیزری فعلی، پرتو متمرکز گاوسی معمولاً منبع انرژی است. با این حال، به دلیل توزیع انرژی منحصر به فرد آن (مرکز بالا، لبه پایین)، احتمالاً باعث گرادیان حرارتی بالا و ناپایداری حوضچه مذاب میشود. در نتیجه کیفیت شکلدهی ضعیف قطعات چاپ شده ایجاد میشود. علاوه بر این، اگر دمای مرکز حوضچه مذاب خیلی بالا باشد، باعث تبخیر عناصر فلزی با نقطه ذوب پایین میشود و ناپایداری فرآیند LBPF را بیشتر تشدید میکند. بنابراین، با افزایش تخلخل، خواص مکانیکی و عمر خستگی قطعات چاپ شده به طور قابل توجهی کاهش مییابد. توزیع ناهموار انرژی پرتوهای گاوسی همچنین منجر به راندمان پایین استفاده از انرژی لیزر و اتلاف انرژی بیش از حد میشود. به منظور دستیابی به کیفیت چاپ بهتر، محققان شروع به بررسی جبران نقص پرتوهای گاوسی با اصلاح پارامترهای فرآیند مانند توان لیزر، سرعت اسکن، ضخامت لایه پودر و استراتژی اسکن کردهاند تا امکان ورود انرژی را کنترل کنند. با توجه به پنجره پردازش بسیار باریک این روش، محدودیتهای فیزیکی ثابت، امکان بهینهسازی بیشتر را محدود میکند. برای مثال، افزایش توان لیزر و سرعت اسکن میتواند به راندمان تولید بالایی 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 قابل توجهی راندمان تولید و کیفیت چاپ را بهبود بخشد، که ممکن است به مسیر توسعه آینده فناوری تولید افزایشی لیزری تبدیل شود. فناوری شکلدهی پرتو عموماً به تنظیم توزیع جبهه موج پرتو ورودی برای دستیابی به توزیع شدت و ویژگیهای انتشار مطلوب اشاره دارد. کاربرد فناوری شکلدهی پرتو در فناوری تولید افزایشی فلز در شکل 2 نشان داده شده است.
کاربرد فناوری شکلدهی پرتو در ساخت افزایشی لیزری
کاستیهای چاپ پرتو گاوسی سنتی
در فناوری ساخت افزایشی لیزر فلز، توزیع انرژی پرتو لیزر تأثیر قابل توجهی بر کیفیت قطعات چاپ شده دارد. اگرچه پرتوهای گاوسی به طور گسترده در تجهیزات ساخت افزایشی لیزر فلز مورد استفاده قرار گرفتهاند، اما از معایب جدی مانند کیفیت چاپ ناپایدار، مصرف انرژی پایین و پنجرههای فرآیند باریک در فرآیند ساخت افزایشی رنج میبرند. در میان آنها، فرآیند ذوب پودر و دینامیک حوضچه مذاب در طول فرآیند ساخت افزایشی لیزر فلز ارتباط نزدیکی با ضخامت لایه پودر دارد. به دلیل وجود پاشش پودر و مناطق فرسایش، ضخامت واقعی لایه پودر بالاتر از حد انتظار نظری است. ثانیاً، ستون بخار باعث پاشش جت اصلی به عقب میشود. بخار فلز با دیواره پشتی برخورد میکند تا پاششهایی تشکیل دهد که در امتداد دیواره جلویی عمود بر ناحیه مقعر حوضچه مذاب پاشیده میشوند (همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است). به دلیل تعامل پیچیده بین پرتو لیزر و پاششها، پاششهای خارج شده میتوانند به طور جدی بر کیفیت چاپ لایههای پودر بعدی تأثیر بگذارند. علاوه بر این، تشکیل سوراخهای کلید در حوضچه مذاب نیز به طور جدی بر کیفیت قطعات چاپ شده تأثیر میگذارد. منافذ داخلی قطعه چاپ شده عمدتاً ناشی از سوراخهای قفلشونده ناپایدار هستند.
مکانیسم تشکیل عیوب در فناوری شکلدهی پرتو
فناوری شکلدهی پرتو میتواند به طور همزمان در چندین بعد به بهبود عملکرد دست یابد، که با پرتوهای گاوسی که عملکرد را در یک بعد به قیمت قربانی کردن ابعاد دیگر بهبود میبخشند، متفاوت است. فناوری شکلدهی پرتو میتواند توزیع دما و ویژگیهای جریان حوضچه مذاب را به طور دقیق تنظیم کند. با کنترل توزیع انرژی لیزر، یک حوضچه مذاب نسبتاً پایدار با گرادیان دمایی کم به دست میآید. توزیع مناسب انرژی لیزر برای سرکوب تخلخل و نقصهای کندوپاش و بهبود کیفیت چاپ لیزری روی قطعات فلزی مفید است. این فناوری میتواند به پیشرفتهای 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 پیشرفتی انقلابی در فناوری تولید افزایشی لیزری است.
زمان ارسال: ۲۸ فوریه ۲۰۲۴
