Teknologi pembuatan bahan tambahan laser (AM), dengan kelebihan ketepatan pembuatan yang tinggi, fleksibiliti yang kuat, dan tahap automasi yang tinggi, digunakan secara meluas dalam pembuatan komponen utama dalam bidang seperti automotif, perubatan, aeroangkasa, dan sebagainya (seperti muncung bahan api roket, pendakap antena satelit, implan manusia, dan sebagainya). Teknologi ini dapat meningkatkan prestasi gabungan bahagian bercetak dengan ketara melalui pembuatan struktur dan prestasi bahan bersepadu. Pada masa ini, teknologi pembuatan bahan tambahan laser secara amnya menggunakan pancaran Gaussian yang terfokus dengan taburan tenaga pusat yang tinggi dan tepi yang rendah. Walau bagaimanapun, ia sering menghasilkan kecerunan haba yang tinggi dalam cair, yang membawa kepada pembentukan liang dan butiran kasar seterusnya. Teknologi pembentukan pancaran merupakan kaedah baharu untuk menyelesaikan masalah ini, yang meningkatkan kecekapan dan kualiti percetakan dengan melaraskan taburan tenaga pancaran laser.
Berbanding dengan pengurangan tradisional dan pembuatan yang setara, teknologi pembuatan bahan tambahan logam mempunyai kelebihan seperti masa kitaran pembuatan yang singkat, ketepatan pemprosesan yang tinggi, kadar penggunaan bahan yang tinggi, dan prestasi keseluruhan bahagian yang baik. Oleh itu, teknologi pembuatan bahan tambahan logam digunakan secara meluas dalam industri seperti aeroangkasa, senjata dan peralatan, kuasa nuklear, biofarmaseutikal, dan automobil. Berdasarkan prinsip penyusunan diskret, pembuatan bahan tambahan logam menggunakan sumber tenaga (seperti laser, arka, atau pancaran elektron) untuk mencairkan serbuk atau dawai, dan kemudian menyusunnya lapisan demi lapisan untuk menghasilkan komponen sasaran. Teknologi ini mempunyai kelebihan yang ketara dalam menghasilkan kelompok kecil, struktur kompleks, atau bahagian yang diperibadikan. Bahan yang tidak boleh atau sukar diproses menggunakan teknik tradisional juga sesuai untuk penyediaan menggunakan kaedah pembuatan bahan tambahan. Disebabkan oleh kelebihan di atas, teknologi pembuatan bahan tambahan telah menarik perhatian meluas daripada para sarjana di dalam dan luar negara. Dalam beberapa dekad yang lalu, teknologi pembuatan bahan tambahan telah mencapai kemajuan yang pesat. Disebabkan oleh automasi dan fleksibiliti peralatan pembuatan bahan tambahan laser, serta kelebihan komprehensif ketumpatan tenaga laser yang tinggi dan ketepatan pemprosesan yang tinggi, teknologi pembuatan bahan tambahan laser telah berkembang paling pantas antara tiga teknologi pembuatan bahan tambahan logam yang disebutkan di atas.
Teknologi pembuatan bahan tambahan logam laser boleh dibahagikan lagi kepada LPBF dan DED. Rajah 1 menunjukkan gambarajah skematik tipikal proses LPBF dan DED. Proses LPBF, juga dikenali sebagai Peleburan Laser Selektif (SLM), boleh mengeluarkan komponen logam kompleks dengan mengimbas pancaran laser bertenaga tinggi di sepanjang laluan tetap pada permukaan lapisan serbuk. Kemudian, serbuk tersebut akan cair dan memejal lapisan demi lapisan. Proses DED terutamanya merangkumi dua proses pencetakan: pemendapan peleburan laser dan pembuatan bahan tambahan penyuapan dawai laser. Kedua-dua teknologi ini boleh mengeluarkan dan membaiki bahagian logam secara langsung dengan penyuapan serbuk atau dawai logam secara serentak. Berbanding dengan LPBF, DED mempunyai produktiviti yang lebih tinggi dan kawasan pembuatan yang lebih besar. Di samping itu, kaedah ini juga boleh menyediakan bahan komposit dan bahan yang digredkan secara berfungsi dengan mudah. Walau bagaimanapun, kualiti permukaan bahagian yang dicetak oleh DED sentiasa lemah, dan pemprosesan seterusnya diperlukan untuk meningkatkan ketepatan dimensi komponen sasaran.
Dalam proses pembuatan bahan tambahan laser semasa, pancaran Gaussian yang difokuskan biasanya merupakan sumber tenaga. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh taburan tenaganya yang unik (pusat tinggi, tepi rendah), ia berkemungkinan menyebabkan kecerunan terma yang tinggi dan ketidakstabilan kolam lebur. Mengakibatkan kualiti pembentukan bahagian yang dicetak yang rendah. Di samping itu, jika suhu pusat kolam lebur terlalu tinggi, ia akan menyebabkan unsur logam takat lebur yang rendah mengewap, seterusnya memburukkan lagi ketidakstabilan proses LBPF. Oleh itu, dengan peningkatan keliangan, sifat mekanikal dan jangka hayat lesu bahagian yang dicetak berkurangan dengan ketara. Taburan tenaga pancaran Gaussian yang tidak sekata juga membawa kepada kecekapan penggunaan tenaga laser yang rendah dan pembaziran tenaga yang berlebihan. Untuk mencapai kualiti percetakan yang lebih baik, para sarjana telah mula meneroka pampasan untuk kecacatan pancaran Gaussian dengan mengubah suai parameter proses seperti kuasa laser, kelajuan pengimbasan, ketebalan lapisan serbuk dan strategi pengimbasan, untuk mengawal kemungkinan input tenaga. Disebabkan oleh tempoh pemprosesan kaedah ini yang sangat sempit, batasan fizikal yang tetap mengehadkan kemungkinan pengoptimuman selanjutnya. Contohnya, meningkatkan kuasa laser dan kelajuan pengimbasan boleh mencapai kecekapan pembuatan yang tinggi, tetapi selalunya melibatkan pengorbanan kualiti percetakan. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, mengubah taburan tenaga laser melalui strategi pembentukan pancaran boleh meningkatkan kecekapan pembuatan dan kualiti percetakan dengan ketara, yang mungkin menjadi hala tuju pembangunan masa hadapan teknologi pembuatan bahan tambahan laser. Teknologi pembentukan pancaran secara amnya merujuk kepada pelarasan taburan muka gelombang pancaran input untuk mendapatkan ciri taburan keamatan dan perambatan yang diingini. Aplikasi teknologi pembentukan pancaran dalam teknologi pembuatan bahan tambahan logam ditunjukkan dalam Rajah 2.
Aplikasi teknologi pembentukan rasuk dalam pembuatan bahan tambahan laser
Kekurangan pencetakan pancaran Gaussian tradisional
Dalam teknologi pembuatan bahan tambahan laser logam, pengagihan tenaga pancaran laser mempunyai kesan yang ketara terhadap kualiti bahagian yang dicetak. Walaupun pancaran Gaussian telah digunakan secara meluas dalam peralatan pembuatan bahan tambahan laser logam, ia mengalami kelemahan serius seperti kualiti percetakan yang tidak stabil, penggunaan tenaga yang rendah, dan tetingkap proses yang sempit dalam proses pembuatan bahan tambahan. Antaranya, proses peleburan serbuk dan dinamik kolam lebur semasa proses bahan tambahan laser logam berkait rapat dengan ketebalan lapisan serbuk. Disebabkan oleh kehadiran zon percikan dan hakisan serbuk, ketebalan sebenar lapisan serbuk adalah lebih tinggi daripada jangkaan teori. Kedua, lajur stim menyebabkan percikan jet ke belakang utama. Wap logam bertembung dengan dinding belakang untuk membentuk percikan, yang disembur di sepanjang dinding hadapan serenjang dengan kawasan cekung kolam lebur (seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3). Disebabkan oleh interaksi kompleks antara pancaran laser dan percikan, percikan yang dikeluarkan boleh menjejaskan kualiti percetakan lapisan serbuk berikutnya dengan serius. Di samping itu, pembentukan lubang kunci dalam kolam lebur juga menjejaskan kualiti bahagian yang dicetak dengan serius. Liang dalaman bahagian yang dicetak terutamanya disebabkan oleh lubang penguncian yang tidak stabil.
Mekanisme pembentukan kecacatan dalam teknologi pembentukan rasuk
Teknologi pembentukan rasuk boleh mencapai peningkatan prestasi dalam pelbagai dimensi secara serentak, yang berbeza daripada rasuk Gaussian yang meningkatkan prestasi dalam satu dimensi dengan mengorbankan dimensi lain. Teknologi pembentukan rasuk boleh melaraskan taburan suhu dan ciri aliran kolam leburan dengan tepat. Dengan mengawal taburan tenaga laser, kolam leburan yang agak stabil dengan kecerunan suhu yang kecil diperoleh. Taburan tenaga laser yang sesuai bermanfaat untuk menyekat kecacatan keliangan dan percikan, dan meningkatkan kualiti percetakan laser pada bahagian logam. Ia boleh mencapai pelbagai peningkatan dalam kecekapan pengeluaran dan penggunaan serbuk. Pada masa yang sama, teknologi pembentukan rasuk menyediakan kita dengan lebih banyak strategi pemprosesan, yang membebaskan kebebasan reka bentuk proses dengan ketara, yang merupakan kemajuan revolusioner dalam teknologi pembuatan bahan tambahan laser.
Masa siaran: 28 Feb-2024
