Die Laser-Additive-Manufacturing-Technologie (AM) mit ihren Vorteilen hoher Fertigungsgenauigkeit, hoher Flexibilität und hohem Automatisierungsgrad wird häufig bei der Herstellung von Schlüsselkomponenten in Bereichen wie Automobil, Medizin, Luft- und Raumfahrt usw. (z. B. Raketen) eingesetzt Kraftstoffdüsen, Satellitenantennenhalterungen, menschliche Implantate usw.). Diese Technologie kann die Kombinationsleistung gedruckter Teile durch die integrierte Herstellung von Materialstruktur und -leistung erheblich verbessern. Gegenwärtig verwendet die additive Laserfertigungstechnologie im Allgemeinen einen fokussierten Gaußschen Strahl mit einer hohen Energieverteilung in der Mitte und einer niedrigen Kantenenergie. Allerdings entstehen dadurch häufig hohe Temperaturgradienten in der Schmelze, die zur Bildung von Poren und groben Körnern führen. Die Strahlformungstechnologie ist eine neue Methode zur Lösung dieses Problems, die die Druckeffizienz und -qualität durch Anpassung der Verteilung der Laserstrahlenergie verbessert.
Im Vergleich zur herkömmlichen Subtraktions- und äquivalenten Fertigung bietet die additive Metallfertigungstechnologie Vorteile wie kurze Fertigungszykluszeiten, hohe Verarbeitungsgenauigkeit, hohe Materialausnutzungsrate und eine gute Gesamtleistung der Teile. Daher wird die additive Metallfertigungstechnologie häufig in Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Waffen und Ausrüstung, Kernenergie, Biopharmazeutika und Automobilen eingesetzt. Basierend auf dem Prinzip der diskreten Stapelung nutzt die additive Metallfertigung eine Energiequelle (wie Laser, Lichtbogen oder Elektronenstrahl), um das Pulver oder den Draht zu schmelzen und sie dann Schicht für Schicht zu stapeln, um die Zielkomponente herzustellen. Diese Technologie bietet erhebliche Vorteile bei der Herstellung kleiner Chargen, komplexer Strukturen oder personalisierter Teile. Auch Materialien, die mit herkömmlichen Techniken nicht oder nur schwer verarbeitet werden können, eignen sich für die Herstellung mit additiven Fertigungsverfahren. Aufgrund der oben genannten Vorteile hat die additive Fertigungstechnologie bei Wissenschaftlern im In- und Ausland große Aufmerksamkeit erregt. In den letzten Jahrzehnten hat die additive Fertigungstechnologie rasante Fortschritte gemacht. Aufgrund der Automatisierung und Flexibilität der Laser-Additiv-Fertigungsausrüstung sowie der umfassenden Vorteile einer hohen Laserenergiedichte und einer hohen Bearbeitungsgenauigkeit hat sich die Laser-Additiv-Fertigungstechnologie unter den drei oben genannten Metall-Additiv-Fertigungstechnologien am schnellsten entwickelt.
Die Technologie der additiven Lasermetallfertigung kann weiter in LPBF und DED unterteilt werden. Abbildung 1 zeigt ein typisches schematisches Diagramm von LPBF- und DED-Prozessen. Mit dem LPBF-Verfahren, auch bekannt als Selective Laser Melting (SLM), können komplexe Metallkomponenten hergestellt werden, indem hochenergetische Laserstrahlen entlang einer festen Bahn auf der Oberfläche eines Pulverbetts gescannt werden. Anschließend schmilzt das Pulver und verfestigt sich Schicht für Schicht. Der DED-Prozess umfasst hauptsächlich zwei Druckverfahren: Laserschmelzauftragung und additive Fertigung mit Laserdrahtzuführung. Mit beiden Technologien können Metallteile durch synchrone Zuführung von Metallpulver oder -draht direkt hergestellt und repariert werden. Im Vergleich zu LPBF verfügt DED über eine höhere Produktivität und eine größere Fertigungsfläche. Darüber hinaus können mit dieser Methode auch Verbundwerkstoffe und funktionell abgestufte Materialien bequem hergestellt werden. Allerdings ist die Oberflächenqualität der von DED gedruckten Teile immer schlecht und eine Nachbearbeitung ist erforderlich, um die Maßhaltigkeit des Zielbauteils zu verbessern.
Im aktuellen laseradditiven Fertigungsverfahren ist üblicherweise der fokussierte Gaußstrahl die Energiequelle. Aufgrund seiner einzigartigen Energieverteilung (hohes Zentrum, niedriger Rand) ist es jedoch wahrscheinlich, dass es zu hohen thermischen Gradienten und Instabilität des Schmelzbades führt. Dies führt zu einer schlechten Formqualität der gedruckten Teile. Wenn außerdem die Mitteltemperatur des Schmelzbades zu hoch ist, führt dies dazu, dass die Metallelemente mit niedrigem Schmelzpunkt verdampfen, was die Instabilität des LBPF-Prozesses weiter verschlimmert. Daher werden mit zunehmender Porosität die mechanischen Eigenschaften und die Ermüdungslebensdauer der gedruckten Teile deutlich reduziert. Die ungleichmäßige Energieverteilung von Gaußschen Strahlen führt auch zu einer geringen Effizienz der Laserenergienutzung und übermäßiger Energieverschwendung. Um eine bessere Druckqualität zu erreichen, haben Wissenschaftler damit begonnen, die Kompensation der Defekte von Gaußschen Strahlen durch Modifizierung von Prozessparametern wie Laserleistung, Scangeschwindigkeit, Pulverschichtdicke und Scanstrategie zu untersuchen, um die Möglichkeit des Energieeintrags zu kontrollieren. Aufgrund des sehr engen Verarbeitungsfensters dieser Methode schränken feste physikalische Einschränkungen die Möglichkeit einer weiteren Optimierung ein. Beispielsweise lässt sich durch eine Erhöhung der Laserleistung und der Scangeschwindigkeit eine höhere Fertigungseffizienz erzielen, allerdings geht dies häufig mit Einbußen bei der Druckqualität einher. In den letzten Jahren konnte die Änderung der Laserenergieverteilung durch Strahlformungsstrategien die Fertigungseffizienz und Druckqualität erheblich verbessern, was die zukünftige Entwicklungsrichtung der laseradditiven Fertigungstechnologie werden könnte. Unter Strahlformungstechnologie versteht man im Allgemeinen die Anpassung der Wellenfrontverteilung des Eingangsstrahls, um die gewünschte Intensitätsverteilung und Ausbreitungseigenschaften zu erhalten. Die Anwendung der Strahlformungstechnologie in der additiven Metallfertigungstechnologie ist in Abbildung 2 dargestellt.
Anwendung der Strahlformungstechnologie in der laseradditiven Fertigung
Die Mängel des traditionellen Gaußschen Strahldrucks
Bei der additiven Metalllaser-Fertigungstechnologie hat die Energieverteilung des Laserstrahls einen erheblichen Einfluss auf die Qualität der gedruckten Teile. Obwohl Gaußsche Strahlen in Anlagen zur additiven Metalllaserfertigung weit verbreitet sind, haben sie schwerwiegende Nachteile wie eine instabile Druckqualität, eine geringe Energieausnutzung und enge Prozessfenster im additiven Fertigungsprozess. Unter anderem hängen der Schmelzprozess des Pulvers und die Dynamik des Schmelzbades während des Metalllaseradditivprozesses eng mit der Dicke der Pulverschicht zusammen. Aufgrund des Vorhandenseins von Pulverspritzern und Erosionszonen ist die tatsächliche Dicke der Pulverschicht höher als die theoretische Erwartung. Zweitens verursachte die Dampfsäule die hauptsächlichen Rückwärtsspritzer. Der Metalldampf kollidiert mit der Rückwand und bildet Spritzer, die entlang der Vorderwand senkrecht zum konkaven Bereich des Schmelzbads versprüht werden (wie in Abbildung 3 dargestellt). Aufgrund der komplexen Wechselwirkung zwischen Laserstrahl und Spritzern können die austretenden Spritzer die Druckqualität nachfolgender Pulverschichten erheblich beeinträchtigen. Darüber hinaus beeinträchtigt die Bildung von Schlüssellöchern im Schmelzbad die Qualität der gedruckten Teile erheblich. Die inneren Poren des Druckstücks werden hauptsächlich durch instabile Verriegelungslöcher verursacht.
Der Entstehungsmechanismus von Defekten in der Strahlformungstechnik
Die Strahlformungstechnologie kann eine Leistungsverbesserung in mehreren Dimensionen gleichzeitig erreichen, was sich von Gaußschen Strahlen unterscheidet, die die Leistung in einer Dimension verbessern, dafür aber andere Dimensionen opfern müssen. Die Strahlformungstechnologie kann die Temperaturverteilung und die Strömungseigenschaften des Schmelzbades genau anpassen. Durch die Steuerung der Verteilung der Laserenergie wird ein relativ stabiles Schmelzbad mit einem kleinen Temperaturgradienten erhalten. Eine geeignete Laserenergieverteilung trägt dazu bei, Porosität und Sputterdefekte zu unterdrücken und die Qualität des Laserdrucks auf Metallteilen zu verbessern. Es können verschiedene Verbesserungen der Produktionseffizienz und der Pulverausnutzung erzielt werden. Gleichzeitig bietet uns die Strahlformungstechnologie mehr Bearbeitungsstrategien, wodurch die Freiheit bei der Prozessgestaltung erheblich frei wird, was einen revolutionären Fortschritt in der laseradditiven Fertigungstechnologie darstellt.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 28. Februar 2024
