სხივის ფორმირების ტექნოლოგიის გამოყენება ლითონის ლაზერული დანამატის წარმოებაში

ლაზერული დანამატებითი წარმოების (AM) ტექნოლოგია, მისი უპირატესობებით, როგორიცაა მაღალი წარმოების სიზუსტე, ძლიერი მოქნილობა და ავტომატიზაციის მაღალი ხარისხი, ფართოდ გამოიყენება ძირითადი კომპონენტების წარმოებაში ისეთ სფეროებში, როგორიცაა საავტომობილო, სამედიცინო, აერონავტიკა და ა.შ. (როგორიცაა რაკეტის საწვავის საქშენები, თანამგზავრული ანტენის სამაგრები, ადამიანის იმპლანტები და ა.შ.). ამ ტექნოლოგიას შეუძლია მნიშვნელოვნად გააუმჯობესოს დაბეჭდილი ნაწილების კომბინირებული მუშაობა მასალის სტრუქტურისა და მუშაობის ინტეგრირებული წარმოების გზით. ამჟამად, ლაზერული დანამატებითი წარმოების ტექნოლოგია ზოგადად იყენებს ფოკუსირებულ გაუსის სხივს მაღალი ცენტრისა და დაბალი კიდეების ენერგიის განაწილებით. თუმცა, ის ხშირად წარმოქმნის მაღალ თერმულ გრადიენტებს დნობაში, რაც იწვევს ფორებისა და უხეში მარცვლების შემდგომ წარმოქმნას. სხივის ფორმირების ტექნოლოგია ამ პრობლემის გადაჭრის ახალი მეთოდია, რომელიც აუმჯობესებს ბეჭდვის ეფექტურობას და ხარისხს ლაზერული სხივის ენერგიის განაწილების რეგულირებით.

ტრადიციულ გამოკლებასა და ეკვივალენტურ წარმოებასთან შედარებით, ლითონის დანამატებით წარმოების ტექნოლოგიას აქვს ისეთი უპირატესობები, როგორიცაა მოკლე წარმოების ციკლის დრო, დამუშავების მაღალი სიზუსტე, მასალის გამოყენების მაღალი მაჩვენებელი და ნაწილების კარგი საერთო მახასიათებლები. ამიტომ, ლითონის დანამატებით წარმოების ტექნოლოგია ფართოდ გამოიყენება ისეთ ინდუსტრიებში, როგორიცაა აერონავტიკა, იარაღი და აღჭურვილობა, ბირთვული ენერგია, ბიოფარმაცევტიკა და ავტომობილები. დისკრეტული დაწყობის პრინციპზე დაყრდნობით, ლითონის დანამატებით წარმოება იყენებს ენერგიის წყაროს (როგორიცაა ლაზერი, რკალი ან ელექტრონული სხივი) ფხვნილის ან მავთულის დნობისთვის, შემდეგ კი მათ ფენა-ფენა აწყობს სამიზნე კომპონენტის წარმოებისთვის. ამ ტექნოლოგიას მნიშვნელოვანი უპირატესობები აქვს მცირე პარტიების, რთული სტრუქტურების ან პერსონალიზებული ნაწილების წარმოებაში. მასალები, რომელთა დამუშავება ტრადიციული ტექნიკის გამოყენებით შეუძლებელია ან რთულია, ასევე შესაფერისია დანამატებითი წარმოების მეთოდების გამოყენებით მოსამზადებლად. ზემოაღნიშნული უპირატესობების გამო, დანამატებითი წარმოების ტექნოლოგიამ მიიპყრო მეცნიერების ფართო ყურადღება როგორც ქვეყნის შიგნით, ასევე საერთაშორისო დონეზე. ბოლო რამდენიმე ათწლეულის განმავლობაში, დანამატებითი წარმოების ტექნოლოგიამ სწრაფი პროგრესი განიცადა. ლაზერული დანამატებით წარმოების აღჭურვილობის ავტომატიზაციისა და მოქნილობის, ასევე მაღალი ლაზერული ენერგიის სიმკვრივისა და დამუშავების მაღალი სიზუსტის ყოვლისმომცველი უპირატესობების გამო, ლაზერული დანამატებით წარმოების ტექნოლოგია ყველაზე სწრაფად განვითარდა ზემოთ ხსენებულ სამ ლითონის დანამატებით წარმოების ტექნოლოგიას შორის.

ლაზერული ლითონის დანამატებით წარმოების ტექნოლოგია შეიძლება დაიყოს LPBF და DED ნაწილებად. სურათი 1 გვიჩვენებს LPBF და DED პროცესების ტიპურ სქემატურ დიაგრამას. LPBF პროცესი, ასევე ცნობილი როგორც შერჩევითი ლაზერული დნობა (SLM), საშუალებას იძლევა რთული ლითონის კომპონენტების წარმოება ფხვნილის ფენის ზედაპირზე ფიქსირებული ტრაექტორიის გასწვრივ მაღალი ენერგიის ლაზერული სხივების სკანირებით. შემდეგ, ფხვნილი დნება და მყარდება ფენა-ფენა. DED პროცესი ძირითადად მოიცავს ორ ბეჭდვის პროცესს: ლაზერული დნობის დეპონირებას და ლაზერული მავთულის მიწოდების დანამატებით წარმოებას. ორივე ამ ტექნოლოგიას შეუძლია ლითონის ნაწილების პირდაპირ წარმოება და შეკეთება ლითონის ფხვნილის ან მავთულის სინქრონული მიწოდებით. LPBF-თან შედარებით, DED-ს აქვს უფრო მაღალი პროდუქტიულობა და უფრო დიდი წარმოების არეალი. გარდა ამისა, ამ მეთოდით ასევე შესაძლებელია კომპოზიტური მასალების და ფუნქციურად კლასიფიცირებული მასალების მოხერხებულად მომზადება. თუმცა, DED-ით დაბეჭდილი ნაწილების ზედაპირის ხარისხი ყოველთვის ცუდია და შემდგომი დამუშავება საჭიროა სამიზნე კომპონენტის განზომილებიანი სიზუსტის გასაუმჯობესებლად.

ლაზერული დანამატებით წარმოების მიმდინარე პროცესში, ფოკუსირებული გაუსის სხივი, როგორც წესი, ენერგიის წყაროა. თუმცა, მისი უნიკალური ენერგიის განაწილების გამო (მაღალი ცენტრი, დაბალი კიდე), ის, სავარაუდოდ, გამოიწვევს მაღალ თერმულ გრადიენტებს და დნობის აუზის არასტაბილურობას, რაც იწვევს დაბეჭდილი ნაწილების ფორმირების დაბალ ხარისხს. გარდა ამისა, თუ გამდნარი აუზის ცენტრალური ტემპერატურა ძალიან მაღალია, ეს გამოიწვევს დაბალი დნობის წერტილის მქონე ლითონის ელემენტების აორთქლებას, რაც კიდევ უფრო ამძაფრებს LBPF პროცესის არასტაბილურობას. ამიტომ, ფორიანობის ზრდასთან ერთად, დაბეჭდილი ნაწილების მექანიკური თვისებები და დაღლილობის ხანგრძლივობა მნიშვნელოვნად მცირდება. გაუსის სხივების არათანაბარი ენერგიის განაწილება ასევე იწვევს ლაზერული ენერგიის გამოყენების დაბალ ეფექტურობას და ენერგიის ჭარბ დანაკარგს. უკეთესი ბეჭდვის ხარისხის მისაღწევად, მეცნიერებმა დაიწყეს გაუსის სხივების დეფექტების კომპენსირების შესწავლა ისეთი პროცესის პარამეტრების შეცვლით, როგორიცაა ლაზერის 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 სიმძლავრისა და სკანირების სიჩქარის გაზრდამ შეიძლება მიაღწიოს წარმოების მაღალ ეფექტურობას, მაგრამ ხშირად ეს ბეჭდვის ხარისხის შელახვის ფასად ხდება. ბოლო წლებში, სხივის ფორმირების სტრატეგიების მეშვეობით ლაზერული ენერგიის განაწილების შეცვლამ შეიძლება მნიშვნელოვნად გააუმჯობესოს წარმოების ეფექტურობა და ბეჭდვის ხარისხი, რაც შეიძლება გახდეს ლაზერული დანამატის წარმოების ტექნოლოგიის მომავალი განვითარების მიმართულება. სხივის ფორმირების ტექნოლოგია ზოგადად გულისხმობს შემავალი სხივის ტალღის ფრონტის განაწილების რეგულირებას სასურველი ინტენსივობის განაწილებისა და გავრცელების მახასიათებლების მისაღებად. სხივის ფორმირების ტექნოლოგიის გამოყენება ლითონის დანამატის წარმოების ტექნოლოგიაში ნაჩვენებია ნახაზ 2-ში.

სხივის ფორმირების ტექნოლოგიის გამოყენება ლაზერული დანამატების წარმოებაში

ტრადიციული გაუსის სხივური ბეჭდვის ნაკლოვანებები

ლითონის ლაზერული დანამატებით წარმოების ტექნოლოგიაში, ლაზერული სხივის ენერგიის განაწილება მნიშვნელოვან გავლენას ახდენს დაბეჭდილი ნაწილების ხარისხზე. მიუხედავად იმისა, რომ გაუსის სხივები ფართოდ გამოიყენება ლითონის ლაზერული დანამატებით წარმოების აღჭურვილობაში, მათ აქვთ სერიოზული ნაკლოვანებები, როგორიცაა არასტაბილური ბეჭდვის ხარისხი, დაბალი ენერგიის გამოყენება და ვიწრო პროცესის ფანჯრები დანამატებით წარმოების პროცესში. მათ შორის, ფხვნილის დნობის პროცესი და გამდნარი პულის დინამიკა ლითონის ლაზერული დანამატებით წარმოების პროცესში მჭიდრო კავშირშია ფხვნილის ფენის სისქესთან. ფხვნილის შხეფებისა და ეროზიის ზონების არსებობის გამო, ფხვნილის ფენის ფაქტობრივი სისქე თეორიულ მოლოდინს აღემატება. მეორეც, ორთქლის სვეტი იწვევდა ძირითადი უკანა ნაკადის შხეფებს. ლითონის ორთქლი ეჯახება უკანა კედელს შხეფების წარმოქმნით, რომლებიც იფრქვევა წინა კედლის გასწვრივ, გამდნარი პულის ჩაზნექილი ფართობის პერპენდიკულარულად (როგორც ნაჩვენებია ნახაზ 3-ში). ლაზერულ სხივსა და შხეფებს შორის რთული ურთიერთქმედების გამო, გამოტყორცნილ შხეფებს შეუძლიათ სერიოზულად იმოქმედონ შემდგომი ფხვნილის ფენების ბეჭდვის ხარისხზე. გარდა ამისა, დნობის პულში ნახვრეტების წარმოქმნა ასევე სერიოზულად მოქმედებს დაბეჭდილი ნაწილების ხარისხზე. დაბეჭდილი ნაწილის შიდა ფორები ძირითადად გამოწვეულია არასტაბილური საკეტი ხვრელებით.

სხივის ფორმირების ტექნოლოგიაში დეფექტების ფორმირების მექანიზმი

სხივის ფორმირების ტექნოლოგიას შეუძლია ერთდროულად მრავალ განზომილებაში მუშაობის გაუმჯობესება, რაც განსხვავდება გაუსის სხივებისგან, რომლებიც აუმჯობესებენ მუშაობას 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 გამდნარი აუზი მცირე ტემპერატურის გრადიენტით. ლაზერული ენერგიის შესაბამისი განაწილება სასარგებლოა ფორიანობისა და გაფრქვევის დეფექტების ჩასახშობად და ლითონის ნაწილებზე ლაზერული ბეჭდვის ხარისხის გასაუმჯობესებლად. მას შეუძლია წარმოების ეფექტურობისა და ფხვნილის გამოყენების სხვადასხვა გაუმჯობესების მიღწევა. ამავდროულად, სხივის ფორმირების ტექნოლოგია გვთავაზობს მეტ დამუშავების სტრატეგიას, რაც მნიშვნელოვნად ათავისუფლებს პროცესის დიზაინის თავისუფლებას, რაც რევოლუციური პროგრესია ლაზერული დანამატების წარმოების ტექნოლოგიაში.