Металл лазер нэмэлт үйлдвэрлэлд цацраг хэлбэржүүлэх технологийг хэрэглэх нь

Лазер нэмэлт үйлдвэрлэлийн (AM) технологи нь өндөр үйлдвэрлэлийн нарийвчлал, хүчтэй уян хатан байдал, өндөр түвшний автоматжуулалтын давуу талуудтай бөгөөд автомашин, анагаах ухаан, сансар судлал гэх мэт салбаруудын гол бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг (пуужингийн түлшний хошуу, хиймэл дагуулын антенны хаалт, хүний ​​суулгац гэх мэт) үйлдвэрлэхэд өргөн хэрэглэгддэг. Энэхүү технологи нь материалын бүтэц, гүйцэтгэлийг нэгтгэн үйлдвэрлэх замаар хэвлэмэл эд ангиудын хосолсон гүйцэтгэлийг ихээхэн сайжруулж чадна. Одоогийн байдлаар лазер нэмэлт үйлдвэрлэлийн технологи нь ерөнхийдөө өндөр төв ба нам ирмэгийн энергийн тархалттай төвлөрсөн Гауссын цацрагийг ашигладаг. Гэсэн хэдий ч энэ нь хайлмалд өндөр дулааны градиент үүсгэж, улмаар нүх сүв, бүдүүн ширхэг үүсэхэд хүргэдэг. Цацраг хэлбэржүүлэх технологи нь энэ асуудлыг шийдвэрлэх шинэ арга бөгөөд лазер цацрагийн энергийн тархалтыг тохируулах замаар хэвлэх үр ашиг, чанарыг сайжруулдаг.

Уламжлалт хасах болон түүнтэй дүйцэхүйц үйлдвэрлэлтэй харьцуулахад металл нэмэлт үйлдвэрлэлийн технологи нь үйлдвэрлэлийн мөчлөгийн богино хугацаа, боловсруулалтын өндөр нарийвчлал, материалын ашиглалтын өндөр түвшин, эд ангийн ерөнхий гүйцэтгэл зэрэг давуу талуудтай. Тиймээс металл нэмэлт үйлдвэрлэлийн технологийг сансар судлал, зэвсэг, тоног төхөөрөмж, цөмийн эрчим хүч, биофармацевтик, автомашин зэрэг салбарт өргөн ашигладаг. Дискрет давхаргын зарчимд үндэслэн металл нэмэлт үйлдвэрлэл нь нунтаг эсвэл утсыг хайлуулахын тулд эрчим хүчний эх үүсвэр (лазер, нуман эсвэл электрон цацраг гэх мэт)-ийг ашиглаж, дараа нь зорилтот бүрэлдэхүүн хэсгийг үйлдвэрлэхийн тулд давхаргаар давхарладаг. Энэхүү технологи нь жижиг багц, нарийн төвөгтэй бүтэц эсвэл хувь хүнд тохирсон эд анги үйлдвэрлэхэд ихээхэн давуу талтай. Уламжлалт техник ашиглан боловсруулах боломжгүй эсвэл боловсруулахад хэцүү материалыг нэмэлт үйлдвэрлэлийн аргаар бэлтгэхэд тохиромжтой. Дээрх давуу талуудын улмаас нэмэлт үйлдвэрлэлийн технологи нь дотоод болон олон улсын эрдэмтдийн өргөн анхаарлыг татсан. Сүүлийн хэдэн арван жилд нэмэлт үйлдвэрлэлийн технологи хурдацтай ахиц дэвшил гаргасан. Лазер нэмэлт үйлдвэрлэлийн тоног төхөөрөмжийн автоматжуулалт, уян хатан байдал, түүнчлэн өндөр лазер энергийн нягтрал, өндөр боловсруулалтын нарийвчлалын цогц давуу талуудын ачаар лазер нэмэлт үйлдвэрлэлийн технологи нь дээр дурдсан гурван металл нэмэлт үйлдвэрлэлийн технологийн дундаас хамгийн хурдан хөгжсөн юм.

Лазер металл нэмэлт үйлдвэрлэлийн технологийг цаашид LPBF болон DED гэж хувааж болно. Зураг 1-т LPBF болон DED процессын ердийн схемийн диаграммыг харуулав. Сонгомол лазер хайлуулах (SLM) гэгддэг LPBF процесс нь нунтаг орны гадаргуу дээрх тогтмол зам дагуу өндөр энергийн лазер туяаг сканнердах замаар нарийн төвөгтэй металл эд ангиудыг үйлдвэрлэж чаддаг. Дараа нь нунтаг хайлж, давхаргаар нь хатуурдаг. DED процесс нь голчлон хоёр хэвлэх процессыг агуулдаг: лазер хайлуулах тунадасжуулалт болон лазер утсаар тэжээх нэмэлт үйлдвэрлэл. Эдгээр хоёр технологи нь металл нунтаг эсвэл утсыг синхроноор тэжээх замаар металл эд ангиудыг шууд үйлдвэрлэж, засах боломжтой. LPBF-тэй харьцуулахад DED нь илүү өндөр бүтээмжтэй, үйлдвэрлэлийн талбай томтой. Үүнээс гадна, энэ арга нь нийлмэл материал болон функциональ зэрэглэлтэй материалыг тохиромжтой байдлаар бэлтгэх боломжтой. Гэсэн хэдий ч DED-ээр хэвлэсэн эд ангиудын гадаргуугийн чанар үргэлж муу байдаг бөгөөд зорилтот бүрэлдэхүүн хэсгийн хэмжээст нарийвчлалыг сайжруулахын тулд дараагийн боловсруулалт шаардлагатай байдаг.

Одоогийн лазер нэмэлт үйлдвэрлэлийн процесст голчлон фокуслагдсан Гауссын цацраг нь эрчим хүчний эх үүсвэр болдог. Гэсэн хэдий ч өвөрмөц энергийн тархалт (өндөр төв, нам ирмэг)-ээс шалтгаалан өндөр дулааны градиент болон хайлмал цөөрмийн тогтворгүй байдлыг үүсгэх магадлалтай. Үүний үр дүнд хэвлэмэл эд ангиудын хэлбэржилтийн чанар мууддаг. Үүнээс гадна, хайлмал цөөрмийн төвийн температур хэт өндөр байвал бага хайлах цэгтэй металл элементүүд ууршиж, LBPF процессын тогтворгүй байдлыг улам хүндрүүлнэ. Тиймээс сүвэрхэг чанар нэмэгдэхийн хэрээр хэвлэмэл эд ангиудын механик шинж чанар, ядрах хугацаа мэдэгдэхүйц буурдаг. Гауссын цацрагийн жигд бус энергийн тархалт нь лазерын энергийн ашиглалтын үр ашиг бага, хэт их энергийн хаягдал үүсгэдэг. Хэвлэх чанарыг сайжруулахын тулд эрдэмтэд энергийн оролтын боломжийг хянахын тулд лазерын хүч, сканнердах хурд, нунтаг давхаргын зузаан, сканнердах стратеги зэрэг процессын параметрүүдийг өөрчлөх замаар Гауссын цацрагийн согогийг нөхөхийг судалж эхэлсэн. Энэ аргын маш нарийн боловсруулалтын цонхноос шалтгаалан тогтмол физик хязгаарлалтууд нь цаашид оновчлол хийх боломжийг хязгаарладаг. Жишээлбэл, лазерын хүч болон сканнердах хурдыг нэмэгдүүлэх нь үйлдвэрлэлийн өндөр үр ашгийг бий болгож болох ч хэвлэх чанарыг золиослох зардал ихтэй байдаг. Сүүлийн жилүүдэд цацрагийн хэлбэржүүлэх стратегиар лазерын энергийн тархалтыг өөрчлөх нь үйлдвэрлэлийн үр ашиг болон хэвлэх чанарыг мэдэгдэхүйц сайжруулж, лазерын нэмэлт үйлдвэрлэлийн технологийн ирээдүйн хөгжлийн чиглэл болж магадгүй юм. Цацраг хэлбэржүүлэх технологи нь ерөнхийдөө хүссэн эрчим хүчний тархалт болон тархалтын шинж чанарыг олж авахын тулд оролтын цацрагийн долгионы фронтын тархалтыг тохируулахыг хэлнэ. Металлын нэмэлт үйлдвэрлэлийн технологид цацрагийн хэлбэржүүлэх технологийг хэрэглэхийг Зураг 2-т үзүүлэв.

Лазер нэмэлт үйлдвэрлэлд цацраг хэлбэржүүлэх технологийг хэрэглэх нь

Уламжлалт Гауссын цацрагийн хэвлэлтийн сул талууд

Металл лазер нэмэлт үйлдвэрлэлийн технологид лазер туяаны энергийн тархалт нь хэвлэмэл эд ангийн чанарт ихээхэн нөлөөлдөг. Гауссын цацрагийг металл лазер нэмэлт үйлдвэрлэлийн тоног төхөөрөмжид өргөн ашиглаж байгаа ч хэвлэх чанар тогтворгүй, эрчим хүчний хэрэглээ бага, нэмэлт үйлдвэрлэлийн процессын нарийн цонх зэрэг ноцтой сул талуудтай тулгардаг. Эдгээрийн дотор нунтаг хайлах процесс болон металл лазер нэмэлт процессын үед хайлсан цөөрмийн динамик нь нунтаг давхаргын зузаантай нягт холбоотой байдаг. Нунтаг цацрах болон элэгдлийн бүсүүд байдаг тул нунтаг давхаргын бодит зузаан нь онолын хүлээлтээс өндөр байдаг. Хоёрдугаарт, уурын багана нь гол урвуу тийрэлтэт цацалтыг үүсгэсэн. Металл уур нь арын ханатай мөргөлдөж, цацрал үүсгэдэг бөгөөд энэ нь хайлсан цөөрмийн хотгор хэсэгт перпендикуляр урд хананы дагуу цацагддаг (Зураг 3-т үзүүлсэн шиг). Лазер туяа болон цацралын хоорондын нарийн төвөгтэй харилцан үйлчлэлээс болж цацагдсан цацрал нь дараагийн нунтаг давхаргын хэвлэх чанарт ноцтой нөлөөлж болзошгүй. Үүнээс гадна хайлсан цөөрөмд түлхүүрийн нүх үүсэх нь хэвлэмэл эд ангийн чанарт ноцтой нөлөөлдөг. Хэвлэмэл хэсгийн дотоод нүх сүв нь голчлон тогтворгүй түгжих нүхнээс үүсдэг.

Цацраг хэлбэржүүлэх технологийн согог үүсэх механизм

Цацраг хэлбэржүүлэх технологи нь олон хэмжээст нэгэн зэрэг гүйцэтгэлийг сайжруулж чаддаг бөгөөд энэ нь нэг хэмжээст гүйцэтгэлийг сайжруулдаг Гауссын цацрагаас ялгаатай бөгөөд бусад хэмжээсийг золиослох зардлаар нэг хэмжээст гүйцэтгэлийг сайжруулдаг. Цацраг хэлбэржүүлэх технологи нь хайлмал цөөрмийн температурын тархалт болон урсгалын шинж чанарыг нарийн тохируулж чаддаг. Лазер энергийн тархалтыг хянаснаар бага температурын градиенттай харьцангуй тогтвортой хайлмал цөөрөм бий болдог. Лазер энергийн зохих тархалт нь сүвэрхэг чанар болон цацалтын согогийг дарах, металл эд анги дээр лазер хэвлэх чанарыг сайжруулахад тустай. Энэ нь үйлдвэрлэлийн үр ашиг, нунтаг ашиглалтын янз бүрийн сайжруулалтыг бий болгож чадна. Үүний зэрэгцээ, цацраг хэлбэржүүлэх технологи нь бидэнд илүү олон боловсруулалтын стратеги өгч, процессын дизайны эрх чөлөөг ихээхэн чөлөөлдөг бөгөөд энэ нь лазер нэмэлт үйлдвэрлэлийн технологийн хувьсгалт дэвшил юм.