D'Laser-Additiv-Fabrikatiounstechnologie (AM), mat hire Virdeeler vun héijer Fabrikatiounsgenauegkeet, staarker Flexibilitéit an engem héije Grad un Automatiséierung, gëtt wäit verbreet bei der Fabrikatioun vu Schlësselkomponenten a Beräicher wéi der Automobilindustrie, der Medizin, der Loft- a Raumfaart usw. (wéi Rakéitebrennstoffdüsen, Satellittenantennehalterungen, mënschlech Implantater usw.) agesat. Dës Technologie kann d'Kombinatiounsleistung vun gedréckten Deeler duerch integréiert Fabrikatioun vu Materialstruktur a Leeschtung däitlech verbesseren. De Moment benotzt d'Laser-Additiv-Fabrikatiounstechnologie allgemeng e fokusséierte Gauss-Strahl mat enger héijer Zentrum- a gerénger Kantenenergieverdeelung. Wéi och ëmmer, et generéiert dacks héich thermesch Gradienten an der Schmelz, wat zu der spéiderer Bildung vu Poren a grousse Kären féiert. D'Beam-Formungstechnologie ass eng nei Method fir dëst Problem ze léisen, déi d'Dréckeffizienz an d'Qualitéit verbessert andeems d'Verdeelung vun der Laserstrahlenergie ugepasst gëtt.
Am Verglach mat traditioneller Subtraktioun an gläichwäerteger Fabrikatioun huet d'Technologie vun der additiver Metallfabrikatioun Virdeeler wéi eng kuerz Fabrikatiounszykluszäit, eng héich Veraarbechtungsgenauegkeet, eng héich Materialauslastungsquote a gutt Gesamtperformance vun den Deeler. Dofir gëtt d'Technologie vun der additiver Metallfabrikatioun wäit verbreet an Industrien wéi Loft- a Raumfaart, Waffen an Ausrüstung, Atomkraaft, Biopharmazeutika an Automobilindustrie benotzt. Baséierend op dem Prinzip vum diskrete Stapelung benotzt d'additiv Metallfabrikatioun eng Energiequell (wéi Laser, Bou oder Elektronestrahl) fir de Pulver oder den Drot ze schmëlzen, an dann Schicht fir Schicht ze stapelen fir d'Zilkomponent ze fabrizéieren. Dës Technologie huet bedeitend Virdeeler bei der Produktioun vu klenge Chargen, komplexe Strukturen oder personaliséierten Deeler. Materialien, déi net mat traditionellen Technike veraarbecht kënne ginn oder schwéier ze veraarbechte sinn, sinn och gëeegent fir d'Virbereedung mat additiven Fabrikatiounsmethoden. Wéinst den uewe genannten Virdeeler huet d'Technologie vun der additiver Fabrikatioun vill Opmierksamkeet vu Wëssenschaftler souwuel am Inland wéi och international op sech gezunn. An de leschte Joerzéngten huet d'Technologie vun der additiver Fabrikatioun séier Fortschrëtter gemaach. Wéinst der Automatiséierung a Flexibilitéit vun der Laser-additiver Fabrikatiounsausrüstung, souwéi de komplette Virdeeler vun der héijer Laserenergiedicht an der héijer Veraarbechtungsgenauegkeet, huet sech d'Laser-additiv Fabrikatiounstechnologie am séiersten ënner den dräi uewe genannten Technologien fir additiv Metallfabrikatioun entwéckelt.
D'Technologie vun der additiver Fabrikatioun vu Metaller mat Laser kann weider a LPBF an DED opgedeelt ginn. Figur 1 weist en typescht schematescht Diagramm vun den LPBF- an DED-Prozesser. De LPBF-Prozess, och bekannt als Selective Laser Melting (SLM), kann komplex Metallkomponenten hierstellen andeems en héichenergetesch Laserstralen laanscht e fixe Wee op der Uewerfläch vun engem Pulverbett scannen. Dann schmëlzt de Pulver a verfestigt Schicht fir Schicht. Den DED-Prozess enthält haaptsächlech zwee Drockprozesser: Laserschmelzoflagerung an additiv Fabrikatioun mat Laserdrotzufuhr. Béid Technologien kënnen Metalldeeler direkt hierstellen a reparéieren andeems se Metallpulver oder Drot synchron zufuhren. Am Verglach mat LPBF huet DED eng méi héich Produktivitéit an eng méi grouss Produktiounsfläch. Zousätzlech kann dës Method och Kompositmaterialien a funktionell graduéiert Materialien bequem virbereeden. D'Uewerflächenqualitéit vun den Deeler, déi mat DED gedréckt ginn, ass awer ëmmer schlecht, an eng spéider Veraarbechtung ass néideg fir d'Dimensiounsgenauegkeet vun der Zilkomponent ze verbesseren.
Am aktuellen additive Laser-Fabrikatiounsprozess ass de fokusséierte Gauss-Strahl normalerweis d'Energiequell. Wéinst senger eenzegaarteger Energieverdeelung (héijen Zentrum, niddrege Rand) ass et awer wahrscheinlech, datt en héich thermesch Gradienten an Instabilitéit vum Schmelzbad verursaacht. Dëst féiert zu enger schlechter Formqualitéit vun den gedréckten Deeler. Zousätzlech, wann d'Mëtttemperatur vum Schmelzbad ze héich ass, wäert dat dozou féieren, datt d'Metallelementer mat nidderegem Schmelzpunkt verdampfen, wat d'Instabilitéit vum LBPF-Prozess weider verschäerft. Dofir ginn, mat enger Erhéijung vun der Porositéit, déi mechanesch Eegeschaften an d'Middegkeetsliewensdauer vun den gedréckten Deeler däitlech reduzéiert. Déi ongläich Energieverdeelung vu Gauss-Strahlen féiert och zu enger gerénger Effizienz vun der Laserenergieausnotzung an exzessiver Energieverschwendung. Fir eng besser Drockqualitéit z'erreechen, hunn d'Wëssenschaftler ugefaangen, d'Kompensatioun vun de Mängel vu Gauss-Strahlen z'ënnersichen, andeems se Prozessparameter wéi Laserleistung, Scangeschwindegkeet, Pulverschichtdicke a Scanstrategie modifizéieren, fir d'Méiglechkeet vum Energiezufuhr ze kontrolléieren. Wéinst dem ganz enke Veraarbechtungsfënster vun dëser Method limitéieren fix physikalesch Limitatiounen d'Méiglechkeet vun enger weiderer Optimiséierung. Zum Beispill kann d'Erhéijung vun der Laserleistung an der Scangeschwindegkeet eng héich Produktiounseffizienz erreechen, awer dacks geet et op Käschte vun der Drockqualitéit. An de leschte Joren kann d'Ännerung vun der Laserenergieverdeelung duerch Strahlformungsstrategien d'Produktiounseffizienz an d'Drockqualitéit däitlech verbesseren, wat déi zukünfteg Entwécklungsrichtung vun der Laseradditivfabrikatiounstechnologie kéint ginn. D'Strahlungstechnologie bezitt sech allgemeng op d'Upassung vun der Wellefrontverdeelung vum Inputstral fir déi gewënscht Intensitéitsverdeelung an d'Ausbreedungseigenschaften ze kréien. D'Uwendung vun der Strahlformungstechnologie an der additiver Fabrikatiounstechnologie fir Metaller gëtt an der Figur 2 gewisen.
Uwendung vun der Strahlformungstechnologie an der Laseradditiver Fabrikatioun
D'Nodeeler vum traditionelle Gaussesche Strahldrock
An der Technologie vun der additiver Fabrikatioun vu Metalllaser huet d'Energieverdeelung vum Laserstrahl e wesentlechen Afloss op d'Qualitéit vun den gedréckten Deeler. Obwuel Gauss-Strahlen wäit verbreet an Ausrüstung fir additiv Fabrikatioun vu Metalllaser benotzt goufen, leiden se ënner eeschte Nodeeler wéi onstabil Drockqualitéit, niddregen Energieverbrauch a schmuel Prozessfënsteren am additive Fabrikatiounsprozess. Dorënner sinn de Schmelzprozess vum Pulver an d'Dynamik vum Schmelzbad während dem additive Prozess vum Metalllaser enk mat der Déckt vun der Pulverschicht verbonnen. Wéinst der Präsenz vu Sprëtz- an Erosiounszonen vum Pulver ass déi tatsächlech Déckt vun der Pulverschicht méi héich wéi déi theoretesch Erwaardung. Zweetens huet d'Dampfsail déi haaptsächlech Réckwärtssprëtz verursaacht. De Metalldamp kollidéiert mat der hënneschter Mauer a bildt Sprëtzer, déi laanscht d'Virwand senkrecht zum konkave Beräich vum Schmelzbad gesprëtzt ginn (wéi an der Figur 3 gewisen). Wéinst der komplexer Interaktioun tëscht dem Laserstrahl a Sprëtzer kënnen déi erausgeworfen Sprëtzer d'Drockqualitéit vun de spéideren Pulverschichten eescht beaflossen. Zousätzlech beaflosst d'Bildung vu Schlëssellächer am Schmelzbad och d'Qualitéit vun den gedréckten Deeler eescht. Déi intern Poren vum gedréckte Stéck ginn haaptsächlech duerch onstabil Verriegelungslächer verursaacht.
De Bildungsmechanismus vu Defekter an der Strahlformungstechnologie
D'Beamshaping-Technologie kann d'Leeschtung a verschiddene Dimensiounen gläichzäiteg verbesseren, wat sech anescht wéi Gauss-Beams mécht, déi d'Leeschtung an enger Dimensioun verbesseren, awer op Käschte vun aneren Dimensiounen. D'Beamshaping-Technologie kann d'Temperaturverdeelung an d'Flosscharakteristike vum Schmelzbad präzis upassen. Duerch d'Kontroll vun der Verdeelung vun der Laserenergie gëtt e relativ stabile Schmelzbad mat engem klenge Temperaturgradient kritt. Eng entspriechend Laserenergieverdeelung ass virdeelhaft fir d'Ënnerdréckung vu Porositéit a Sputterdefekter an d'Verbesserung vun der Qualitéit vum Laserdrock op Metalldeeler. Si kann verschidde Verbesserungen an der Produktiounseffizienz an der Pulvernotzung erreechen. Gläichzäiteg bitt eis d'Beamshaping-Technologie méi Veraarbechtungsstrategien, wat d'Fräiheet vum Prozessdesign staark befreit, wat e revolutionäre Fortschrëtt an der Laseradditivfabrikatiounstechnologie ass.
Zäitpunkt vun der Verëffentlechung: 28. Februar 2024
