La tecnologia de fabricació additiva làser (AM), amb els seus avantatges d'alta precisió de fabricació, forta 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 broquets de combustible de coets, suports d'antenes de satèl·lit, implants humans, etc.). Aquesta tecnologia pot millorar considerablement el rendiment combinat de les peces impreses mitjançant la fabricació integrada de l'estructura i el rendiment del material. Actualment, la tecnologia de fabricació additiva làser generalment adopta un feix gaussià enfocat amb una distribució d'energia central alta i vora baixa. Tanmateix, sovint genera gradients tèrmics elevats a la fosa, cosa que porta 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 feix làser.
En comparació amb la subtracció tradicional i la fabricació equivalent, la tecnologia de fabricació additiva metàl·lica 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 additiva metàl·lica s'utilitza àmpliament en indústries com l'aeroespacial, les armes i els equips, l'energia nuclear, els biofarmacèutics i l'automòbil. Basada en el principi de l'apilament discret, la fabricació additiva metàl·lica 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 es poden 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 una àmplia atenció dels estudiosos tant a nivell nacional com internacional. En les últimes dècades, la tecnologia de fabricació additiva ha fet progressos ràpids. 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 additiva de metall 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 a fusió làser selectiva (SLM), pot fabricar components metàl·lics complexos escanejant feixos làser d'alta energia al llarg d'una trajectòria fixa a la superfície d'un llit de pols. A continuació, la pols es fon i solidifica capa per capa. El procés DED inclou principalment dos processos d'impressió: la deposició per fusió làser i la fabricació additiva amb alimentació de fil làser. Ambdues tecnologies poden fabricar i reparar directament peces metàl·liques alimentant sincronitzadament pols o fil metàl·lic. En comparació amb LPBF, DED té una productivitat més alta i una àrea de fabricació més gran. A més, aquest mètode també pot preparar convenientment materials compostos i materials amb graduació funcional. Tanmateix, la qualitat superficial de les peces impreses per DED sempre és deficient i cal un processament posterior per millorar la precisió dimensional del component objectiu.
En el procés actual de fabricació additiva amb làser, el feix gaussià enfocat sol ser la font d'energia. Tanmateix, a causa de la seva distribució d'energia única (centre alt, vora baixa), és probable que causi gradients tèrmics elevats i inestabilitat del grup de fusió. Això resulta en una mala qualitat de conformació de les peces impreses. A més, si la temperatura central del grup de fusió és massa alta, farà que els elements metàl·lics de baix punt de fusió s'evaporin, cosa que agreuja 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 de l'energia dels feixos gaussians també condueix a una baixa eficiència en la utilització de l'energia làser i a un malbaratament energètic excessiu. Per tal d'aconseguir una millor qualitat d'impressió, els estudiosos han començat a explorar la compensació dels defectes dels feixos gaussians modificant paràmetres del procés com 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 major optimització. Per exemple, augmentar la potència del làser i la velocitat d'escaneig pot aconseguir una alta eficiència de fabricació, però sovint té el cost de sacrificar la qualitat d'impressió. En els darrers anys, canviar la distribució de l'energia làser mitjançant estratègies de conformació del feix pot millorar significativament l'eficiència de fabricació i la qualitat d'impressió, cosa que pot convertir-se en la futura direcció de desenvolupament 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 del feix en la tecnologia de fabricació additiva metàl·lica es mostra a la Figura 2.
Aplicació de la tecnologia de conformació de feix en la fabricació additiva làser
Els inconvenients de la impressió tradicional de feix gaussià
En la tecnologia de fabricació additiva amb làser metàl·lic, la distribució d'energia del feix 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 additiva amb làser metàl·lic, pateixen greus inconvenients com ara una qualitat d'impressió inestable, un baix ús 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 additiu amb làser metàl·lic estan estretament relacionats amb el gruix de la capa de pols. A causa de la presència de zones d'esquitxades i erosió 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 principals esquitxades del raig cap enrere. El vapor metàl·lic xoca amb la paret posterior per formar esquitxades, que es ruixen al llarg de la paret frontal perpendicular a la zona còncava de la piscina fosa (com es mostra a la Figura 3). A causa de la complexa interacció entre el feix làser i les esquitxades, les esquitxades expulsades poden afectar greument la qualitat d'impressió de les capes de pols posteriors. A més, la formació de forats de pany a la piscina fosa també afecta greument 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 feix
La tecnologia de conformació de feix pot aconseguir una millora del rendiment en múltiples dimensions simultàniament, cosa que és diferent de les feixes gaussianes que milloren el rendiment en una dimensió a costa de sacrificar altres dimensions. La tecnologia de conformació de feix pot ajustar amb precisió la distribució de la temperatura i les característiques de flux del grup de fosa. Controlant la distribució de l'energia làser, s'obté un grup de fosa relativament estable amb un petit gradient de temperatura. Una distribució adequada de l'energia làser és beneficiosa per suprimir la porositat i els defectes de pulverització catòdica, i millorar la qualitat de la impressió làser en peces metàl·liques. Pot aconseguir diverses millores en l'eficiència de la producció i l'aprofitament de la pols. Al mateix temps, la tecnologia de conformació de feix ens proporciona més estratègies de processament, alliberant enormement la llibertat de disseny de processos, que és un progrés revolucionari en la tecnologia de fabricació additiva làser.
Data de publicació: 28 de febrer de 2024
