Aplicació de la tecnologia de conformació del feix en la fabricació additiva làser metàl·lica

La tecnologia de fabricació additiva làser (AM), amb els seus avantatges d'alta precisió de fabricació, gran flexibilitat i alt grau d'automatització, s'utilitza àmpliament en la fabricació de components clau en camps com l'automoció, la medicina, l'aeroespacial, etc. (com ara coets). broquets de combustible, suports d'antena de satèl·lit, implants humans, etc.). Aquesta tecnologia pot millorar considerablement el rendiment de la combinació de peces impreses mitjançant la fabricació integrada de l'estructura i el rendiment del material. Actualment, la tecnologia de fabricació additiva làser adopta generalment un feix gaussià enfocat amb un centre alt i una distribució d'energia de vora baixa. No obstant això, sovint genera alts gradients tèrmics a la fosa, donant lloc a la formació posterior de porus i grans gruixuts. La tecnologia de conformació del feix és un nou mètode per resoldre aquest problema, que millora l'eficiència i la qualitat de la impressió ajustant la distribució de l'energia del raig làser.

En comparació amb la resta tradicional i la fabricació equivalent, la tecnologia de fabricació d'additius metàl·lics té avantatges com ara un temps de cicle de fabricació curt, una alta precisió de processament, una alta taxa d'utilització del material i un bon rendiment general de les peces. Per tant, la tecnologia de fabricació d'additius metàl·lics s'utilitza àmpliament en indústries com ara aeroespacial, armes i equips, energia nuclear, biofarmacèutica i automòbils. Basant-se en el principi d'apilament discret, la fabricació d'additius metàl·lics utilitza una font d'energia (com ara làser, arc o feix d'electrons) per fondre la pols o el filferro, i després els apila capa per capa per fabricar el component objectiu. Aquesta tecnologia té avantatges significatius en la producció de lots petits, estructures complexes o peces personalitzades. Els materials que no poden ser o són difícils de processar mitjançant tècniques tradicionals també són adequats per a la preparació mitjançant mètodes de fabricació additiva. A causa dels avantatges anteriors, la tecnologia de fabricació additiva ha atret l'atenció generalitzada dels estudiosos tant nacionals com internacionals. En les últimes dècades, la tecnologia de fabricació additiva ha avançat ràpidament. A causa de l'automatització i la flexibilitat dels equips de fabricació additiva làser, així com els avantatges integrals de l'alta densitat d'energia làser i l'alta precisió de processament, la tecnologia de fabricació additiva làser s'ha desenvolupat més ràpidament entre les tres tecnologies de fabricació additiva metàl·lica esmentades anteriorment.

La tecnologia de fabricació d'additius metàl·lics làser es pot dividir encara més en LPBF i DED. La figura 1 mostra un diagrama esquemàtic típic dels processos LPBF i DED. El procés LPBF, també conegut com Selective Laser Melting (SLM), pot fabricar components metàl·lics complexos escanejant raigs làser d'alta energia al llarg d'un camí fix a la superfície d'un llit de pols. Aleshores, la pols es fon i es solidifica capa per capa. El procés DED inclou principalment dos processos d'impressió: la deposició de fusió làser i la fabricació d'additius d'alimentació de fil làser. Ambdues tecnologies poden fabricar i reparar directament peces metàl·liques alimentant de manera sincrònica pols o filferro metàl·lic. En comparació amb LPBF, DED té una major productivitat i una àrea de fabricació més gran. A més, aquest mètode també pot preparar convenientment materials compostos i materials classificats funcionalment. No obstant això, la qualitat superficial de les peces impreses per DED sempre és deficient i es necessita un processament posterior per millorar la precisió dimensional del component objectiu.

En el procés de fabricació additiva làser actual, el feix gaussià enfocat sol ser la font d'energia. Tanmateix, a causa de la seva distribució energètica única (centre alt, vora baixa), és probable que provoqui alts gradients tèrmics i inestabilitat de la piscina de fusió. El resultat és una mala qualitat de conformació de les peces impreses. A més, si la temperatura central de la piscina fosa és massa alta, farà que els elements metàl·lics de baix punt de fusió es vaporitzin, agreujant encara més la inestabilitat del procés LBPF. Per tant, amb un augment de la porositat, les propietats mecàniques i la vida a fatiga de les peces impreses es redueixen significativament. La distribució desigual d'energia dels feixos gaussians també condueix a una baixa eficiència en l'ús d'energia del làser i un malbaratament excessiu d'energia. Per tal d'aconseguir una millor qualitat d'impressió, els estudiosos han començat a explorar la compensació dels defectes dels feixos gaussians modificant paràmetres de procés com ara la potència del làser, la velocitat d'escaneig, el gruix de la capa de pols i l'estratègia d'escaneig, per tal de controlar la possibilitat d'entrada d'energia. A causa de la finestra de processament molt estreta d'aquest mètode, les limitacions físiques fixes limiten la possibilitat d'una optimització addicional. Per exemple, augmentar la potència del làser i la velocitat d'escaneig pot aconseguir una alta eficiència de fabricació, però sovint comporta el cost de sacrificar la qualitat d'impressió. En els darrers anys, canviar la distribució d'energia làser mitjançant estratègies de conformació del feix pot millorar significativament l'eficiència de la fabricació i la qualitat d'impressió, cosa que pot convertir-se en la direcció de desenvolupament futur de la tecnologia de fabricació additiva làser. La tecnologia de conformació del feix generalment es refereix a ajustar la distribució del front d'ona del feix d'entrada per obtenir la distribució d'intensitat i les característiques de propagació desitjades. L'aplicació de la tecnologia de conformació de feixos a la tecnologia de fabricació additiva metàl·lica es mostra a la figura 2.

Aplicació de la tecnologia de conformació del feix en la fabricació additiva làser

Les deficiències de la impressió tradicional gaussiana

En la tecnologia de fabricació additiva làser metàl·lica, la distribució d'energia del raig làser té un impacte significatiu en la qualitat de les peces impreses. Tot i que els feixos gaussians s'han utilitzat àmpliament en equips de fabricació d'additius làser metàl·lics, pateixen greus inconvenients com ara una qualitat d'impressió inestable, una baixa utilització d'energia i finestres de procés estretes en el procés de fabricació additiva. Entre ells, el procés de fusió de la pols i la dinàmica de la piscina fosa durant el procés d'additiu làser metàl·lic estan estretament relacionats amb el gruix de la capa de pols. A causa de la presència de zones d'erosió i esquitxades de pols, el gruix real de la capa de pols és superior a l'expectativa teòrica. En segon lloc, la columna de vapor va provocar les esquitxades principals del doll cap enrere. El vapor metàl·lic xoca amb la paret posterior per formar esquitxades, que es ruixen al llarg de la paret frontal perpendicularment a la zona còncava de la piscina fosa (com es mostra a la figura 3). A causa de la complexa interacció entre el raig làser i les esquitxades, les esquitxades expulsades poden afectar seriosament la qualitat d'impressió de les capes de pols posteriors. A més, la formació de forats a la piscina de fusió també afecta seriosament la qualitat de les peces impreses. Els porus interns de la peça impresa són causats principalment per forats de bloqueig inestables.

El mecanisme de formació de defectes en la tecnologia de conformació de feixos

La tecnologia de conformació de feixos pot aconseguir una millora del rendiment en múltiples dimensions simultàniament, cosa que és diferent dels feixos gaussians que milloren el rendiment en una dimensió a costa de sacrificar altres dimensions. La tecnologia de conformació del feix pot ajustar amb precisió la distribució de la temperatura i les característiques de flux de la piscina de fusió. Mitjançant el control de la distribució de l'energia làser, s'obté una piscina fosa relativament estable amb un petit gradient de temperatura. La distribució adequada de l'energia làser és beneficiosa per suprimir la porositat i els defectes de pulverització i per millorar la qualitat de la impressió làser en peces metàl·liques. Pot aconseguir diverses millores en l'eficiència de la producció i la utilització de pols. Al mateix temps, la tecnologia de conformació del feix ens proporciona més estratègies de processament, alliberant molt la llibertat de disseny del procés, que és un progrés revolucionari en la tecnologia de fabricació additiva làser.