სხივის ფორმირების ტექნოლოგიის გამოყენება ლითონის ლაზერული დანამატების წარმოებაში

ლაზერული დანამატის წარმოების ტექნოლოგია (AM) თავისი უპირატესობებით: მაღალი წარმოების სიზუსტით, ძლიერი მოქნილობით და ავტომატიზაციის მაღალი ხარისხით, ფართოდ გამოიყენება ძირითადი კომპონენტების წარმოებაში ისეთ სფეროებში, როგორიცაა ავტომობილები, მედიცინა, აერონავტიკა და ა.შ. (როგორიცაა რაკეტა). საწვავის საქშენები, სატელიტური ანტენის სამაგრები, ადამიანის იმპლანტები და ა.შ.). ამ ტექნოლოგიას შეუძლია მნიშვნელოვნად გააუმჯობესოს დაბეჭდილი ნაწილების კომბინირებული შესრულება მასალის სტრუქტურისა და შესრულების ინტეგრირებული წარმოების გზით. ამჟამად, ლაზერული დანამატების წარმოების ტექნოლოგია ძირითადად იყენებს ორიენტირებულ გაუსის სხივს მაღალი ცენტრით და დაბალი კიდეების ენერგიის განაწილებით. თუმცა, ის ხშირად წარმოქმნის მაღალ თერმულ გრადიენტებს დნობაში, რაც იწვევს ფორების და უხეში მარცვლების შემდგომ წარმოქმნას. Beam Shaping ტექნოლოგია არის ახალი მეთოდი ამ პრობლემის გადასაჭრელად, რომელიც აუმჯობესებს ბეჭდვის ეფექტურობას და ხარისხს ლაზერული სხივის ენერგიის განაწილების კორექტირებით.

ტრადიციულ გამოკლებასა და ექვივალენტურ წარმოებასთან შედარებით, ლითონის დანამატების წარმოების ტექნოლოგიას აქვს ისეთი უპირატესობები, როგორიცაა წარმოების მოკლე ციკლის დრო, დამუშავების მაღალი სიზუსტე, მასალის გამოყენების მაღალი მაჩვენებელი და ნაწილების კარგი საერთო შესრულება. ამიტომ, ლითონის დანამატების წარმოების ტექნოლოგია ფართოდ გამოიყენება ისეთ ინდუსტრიებში, როგორიცაა აერონავტიკა, იარაღი და აღჭურვილობა, ბირთვული ენერგია, ბიოფარმაცევტული საშუალებები და ავტომობილები. დისკრეტული დაწყობის პრინციპზე დაფუძნებული, ლითონის დანამატის წარმოება იყენებს ენერგიის წყაროს (როგორიცაა ლაზერი, რკალი ან ელექტრონული სხივი) ფხვნილის ან მავთულის დასადნებლად და შემდეგ ფენა-ფენად აწყობს მათ სამიზნე კომპონენტის დასამზადებლად. ამ ტექნოლოგიას აქვს მნიშვნელოვანი უპირატესობები მცირე პარტიების, რთული სტრუქტურების ან პერსონალიზებული ნაწილების წარმოებაში. მასალები, რომლებიც არ შეიძლება იყოს ან რთულია დამუშავება ტრადიციული ტექნიკით, ასევე შესაფერისია დანამატის წარმოების მეთოდების გამოყენებით მოსამზადებლად. ზემოაღნიშნული უპირატესობებიდან გამომდინარე, დანამატების წარმოების ტექნოლოგიამ მიიპყრო მკვლევარების ფართო ყურადღება როგორც შიდა, ასევე საერთაშორისო დონეზე. ბოლო რამდენიმე ათწლეულის განმავლობაში დანამატების წარმოების ტექნოლოგიამ სწრაფი პროგრესი განიცადა. ლაზერული დანამატების წარმოების აღჭურვილობის ავტომატიზაციისა და მოქნილობის გამო, ასევე ლაზერული ენერგიის მაღალი სიმკვრივისა და დამუშავების მაღალი სიზუსტის ყოვლისმომცველი უპირატესობების გამო, ლაზერული დანამატის წარმოების ტექნოლოგიამ ყველაზე სწრაფად შეიმუშავა ზემოხსენებული ლითონის დანამატების წარმოების ტექნოლოგიას შორის.

ლაზერული ლითონის დანამატების წარმოების ტექნოლოგია შეიძლება დაიყოს LPBF და DED. სურათი 1 გვიჩვენებს LPBF და DED პროცესების ტიპურ სქემატურ დიაგრამას. LPBF პროცესს, რომელიც ასევე ცნობილია როგორც შერჩევითი ლაზერული დნობა (SLM), შეუძლია ლითონის რთული კომპონენტების წარმოება მაღალი ენერგიის ლაზერული სხივების სკანირებით ფხვნილის ფსკერის ზედაპირზე ფიქსირებული ბილიკის გასწვრივ. შემდეგ, ფხვნილი დნება და მყარდება ფენა-ფენა. DED პროცესი ძირითადად მოიცავს ორ ბეჭდვის პროცესს: ლაზერული დნობის დეპონირება და ლაზერული მავთულის კვების დანამატის წარმოება. ორივე ამ ტექნოლოგიას შეუძლია უშუალოდ ლითონის ნაწილების წარმოება და შეკეთება ლითონის ფხვნილის ან მავთულის სინქრონული კვების გზით. LPBF-თან შედარებით, DED-ს აქვს უფრო მაღალი პროდუქტიულობა და უფრო დიდი წარმოების ფართობი. გარდა ამისა, ამ მეთოდს ასევე შეუძლია მოხერხებულად მოამზადოს კომპოზიციური მასალები და ფუნქციურად შეფასებული მასალები. თუმცა, DED-ის მიერ დაბეჭდილი ნაწილების ზედაპირის ხარისხი ყოველთვის ცუდია და საჭიროა შემდგომი დამუშავება სამიზნე კომპონენტის განზომილებიანი სიზუსტის გასაუმჯობესებლად.

ლაზერული დანამატის წარმოების მიმდინარე პროცესში, ფოკუსირებული გაუსის სხივი, როგორც წესი, ენერგიის წყაროა. თუმცა, მისი უნიკალური ენერგიის განაწილების გამო (მაღალი ცენტრი, დაბალი კიდე), შესაძლოა გამოიწვიოს მაღალი თერმული გრადიენტები და დნობის აუზის არასტაბილურობა. შედეგად დაბეჭდილი ნაწილების ფორმირების ცუდი ხარისხი. გარდა ამისა, თუ გამდნარი აუზის ცენტრალური ტემპერატურა ძალიან მაღალია, ეს გამოიწვევს დაბალი დნობის წერტილის ლითონის ელემენტების აორთქლებას, რაც კიდევ უფრო აძლიერებს LBPF პროცესის არასტაბილურობას. ამიტომ, ფორიანობის მატებასთან ერთად, მნიშვნელოვნად მცირდება დაბეჭდილი ნაწილების მექანიკური თვისებები და დაღლილობის სიცოცხლე. გაუსის სხივების ენერგიის არათანაბარი განაწილება ასევე იწვევს ლაზერული ენერგიის გამოყენების დაბალ ეფექტურობას და ენერგიის გადაჭარბებულ ხარჯვას. უკეთესი ბეჭდვის ხარისხის მისაღწევად, მეცნიერებმა დაიწყეს გაუსის სხივების დეფექტების კომპენსირების შესწავლა პროცესის პარამეტრების შეცვლით, როგორიცაა ლაზერული სიმძლავრე, სკანირების სიჩქარე, ფხვნილის ფენის სისქე და სკანირების სტრატეგია, რათა გააკონტროლონ ენერგიის შეყვანის შესაძლებლობა. ამ მეთოდის ძალიან ვიწრო დამუშავების ფანჯრის გამო, ფიქსირებული ფიზიკური შეზღუდვები ზღუდავს შემდგომი ოპტიმიზაციის შესაძლებლობას. მაგალითად, ლაზერული სიმძლავრის და სკანირების სიჩქარის გაზრდამ შეიძლება მიაღწიოს წარმოების მაღალ ეფექტურობას, მაგრამ ხშირად ხდება ბეჭდვის ხარისხის შეწირვის ფასად. ბოლო წლების განმავლობაში, ლაზერული ენერგიის განაწილების შეცვლამ სხივის ფორმირების სტრატეგიებით შეიძლება მნიშვნელოვნად გააუმჯობესოს წარმოების ეფექტურობა და ბეჭდვის ხარისხი, რაც შეიძლება გახდეს ლაზერული დანამატების წარმოების ტექნოლოგიის მომავალი განვითარების მიმართულება. სხივის ფორმირების ტექნოლოგია ზოგადად გულისხმობს შეყვანის სხივის ტალღის ფრონტის განაწილების რეგულირებას სასურველი ინტენსივობის განაწილებისა და გავრცელების მახასიათებლების მისაღებად. სხივის ფორმირების ტექნოლოგიის გამოყენება ლითონის დანამატების წარმოების ტექნოლოგიაში ნაჩვენებია სურათზე 2.

სხივის ფორმირების ტექნოლოგიის გამოყენება ლაზერული დანამატების წარმოებაში

ტრადიციული გაუსის სხივური ბეჭდვის ნაკლოვანებები

ლითონის ლაზერული დანამატის წარმოების ტექნოლოგიაში ლაზერის სხივის ენერგიის განაწილება მნიშვნელოვან გავლენას ახდენს დაბეჭდილი ნაწილების ხარისხზე. მიუხედავად იმისა, რომ გაუსის სხივები ფართოდ გამოიყენება ლითონის ლაზერული დანამატების წარმოების მოწყობილობებში, ისინი განიცდიან სერიოზულ ნაკლოვანებებს, როგორიცაა ბეჭდვის არასტაბილური ხარისხი, დაბალი ენერგიის გამოყენება და ვიწრო პროცესის ფანჯრები დანამატების წარმოების პროცესში. მათ შორის, ფხვნილის დნობის პროცესი და გამდნარი აუზის დინამიკა ლითონის ლაზერული დანამატის პროცესის დროს მჭიდრო კავშირშია ფხვნილის ფენის სისქესთან. ფხვნილის დაფრქვევისა და ეროზიის ზონების არსებობის გამო, ფხვნილის ფენის რეალური სისქე უფრო მაღალია, ვიდრე თეორიული მოლოდინი. მეორეც, ორთქლის სვეტმა გამოიწვია მთავარი უკანა ჭავლის შხეფები. ლითონის ორთქლი ეჯახება უკანა კედელს და წარმოქმნის შპრიცებს, რომლებიც იფრქვევა წინა კედლის გასწვრივ პერპენდიკულარულად გამდნარი აუზის ჩაზნექილი არეზე (როგორც ნაჩვენებია სურათზე 3). ლაზერის სხივსა და ნაპერწკლებს შორის რთული ურთიერთქმედების გამო, ამოფრქვეულმა ნაპერწკლებმა შეიძლება სერიოზულად იმოქმედოს შემდგომი ფხვნილის ფენების ბეჭდვის ხარისხზე. გარდა ამისა, დნობის აუზში გასაღებების ფორმირება ასევე სერიოზულად აისახება დაბეჭდილი ნაწილების ხარისხზე. ნაბეჭდი ნაწილის შიდა ფორები ძირითადად გამოწვეულია არასტაბილური ჩამკეტი ხვრელებით.

სხივის ფორმირების ტექნოლოგიაში დეფექტების ფორმირების მექანიზმი

სხივის ფორმირების ტექნოლოგიას შეუძლია მიაღწიოს შესრულების გაუმჯობესებას რამდენიმე განზომილებაში ერთდროულად, რაც განსხვავდება გაუსის სხივებისგან, რომლებიც აუმჯობესებენ შესრულებას ერთ განზომილებაში სხვა განზომილებების შეწირვის ფასად. სხივის ფორმირების ტექნოლოგიას შეუძლია ზუსტად დაარეგულიროს დნობის აუზის ტემპერატურის განაწილება და ნაკადის მახასიათებლები. ლაზერული ენერგიის განაწილების კონტროლით, მიიღება შედარებით სტაბილური მდნარი აუზი მცირე ტემპერატურის გრადიენტით. ლაზერული ენერგიის შესაბამისი განაწილება სასარგებლოა ფორიანობისა და დაფქვის დეფექტების ჩასახშობად და ლითონის ნაწილებზე ლაზერული ბეჭდვის ხარისხის გასაუმჯობესებლად. მას შეუძლია მიაღწიოს სხვადასხვა გაუმჯობესებას წარმოების ეფექტურობაში და ფხვნილის გამოყენებაში. ამავდროულად, სხივის ფორმირების ტექნოლოგია გვაწვდის მეტ დამუშავების სტრატეგიას, რაც მნიშვნელოვნად ათავისუფლებს პროცესის დიზაინის თავისუფლებას, რაც რევოლუციური პროგრესია ლაზერული დანამატების წარმოების ტექნოლოგიაში.