A tecnologia de fabricação aditiva a laser (AM), com suas vantagens de alta precisão de fabricação, forte flexibilidade e alto grau de automação, é amplamente utilizada na fabricação de componentes-chave em áreas como automotiva, médica, aeroespacial, etc. bicos de combustível, suportes de antenas de satélite, implantes humanos, etc.). Esta tecnologia pode melhorar significativamente o desempenho combinado de peças impressas através da fabricação integrada de estrutura e desempenho do material. Atualmente, a tecnologia de fabricação aditiva a laser geralmente adota um feixe gaussiano focado com centro alto e distribuição de energia baixa nas bordas. No entanto, muitas vezes gera altos gradientes térmicos no fundido, levando à subsequente formação de poros e grãos grossos. A tecnologia de modelagem de feixe é um novo método para resolver esse problema, que melhora a eficiência e a qualidade da impressão ajustando a distribuição da energia do feixe de laser.
Em comparação com a subtração tradicional e a fabricação equivalente, a tecnologia de fabricação aditiva de metal tem vantagens como curto tempo de ciclo de fabricação, alta precisão de processamento, alta taxa de utilização de material e bom desempenho geral das peças. Portanto, a tecnologia de fabricação de aditivos metálicos é amplamente utilizada em indústrias como aeroespacial, armas e equipamentos, energia nuclear, biofarmacêutica e automotiva. Com base no princípio do empilhamento discreto, a fabricação aditiva de metal utiliza uma fonte de energia (como laser, arco ou feixe de elétrons) para derreter o pó ou fio e, em seguida, empilha-os camada por camada para fabricar o componente alvo. Esta tecnologia apresenta vantagens significativas na produção de pequenos lotes, estruturas complexas ou peças personalizadas. Materiais que não podem ser ou são difíceis de processar usando técnicas tradicionais também são adequados para preparação usando métodos de fabricação aditiva. Devido às vantagens acima, a tecnologia de fabricação aditiva tem atraído ampla atenção de estudiosos tanto nacionais quanto internacionais. Nas últimas décadas, a tecnologia de fabricação aditiva progrediu rapidamente. Devido à automação e flexibilidade dos equipamentos de fabricação aditiva a laser, bem como às vantagens abrangentes da alta densidade de energia do laser e alta precisão de processamento, a tecnologia de fabricação aditiva a laser se desenvolveu mais rapidamente entre as três tecnologias de fabricação aditiva metálica mencionadas acima.
A tecnologia de fabricação aditiva de metal a laser pode ser dividida em LPBF e DED. A Figura 1 mostra um diagrama esquemático típico dos processos LPBF e DED. O processo LPBF, também conhecido como Fusão Seletiva a Laser (SLM), pode fabricar componentes metálicos complexos por meio da varredura de feixes de laser de alta energia ao longo de um caminho fixo na superfície de um leito de pó. Então, o pó derrete e solidifica camada por camada. O processo DED inclui principalmente dois processos de impressão: deposição por fusão a laser e fabricação aditiva com alimentação de fio a laser. Ambas as tecnologias podem fabricar e reparar diretamente peças metálicas, alimentando de forma síncrona pó ou fio metálico. Comparado ao LPBF, o DED apresenta maior produtividade e maior área fabril. Além disso, este método também pode preparar convenientemente materiais compósitos e materiais com classificação funcional. No entanto, a qualidade superficial das peças impressas por DED é sempre ruim e o processamento subsequente é necessário para melhorar a precisão dimensional do componente alvo.
No atual processo de fabricação aditiva a laser, o feixe gaussiano focado é geralmente a fonte de energia. No entanto, devido à sua distribuição de energia única (centro alto, borda baixa), é provável que cause altos gradientes térmicos e instabilidade da poça de fusão. Resultando em má qualidade de conformação das peças impressas. Além disso, se a temperatura central da poça fundida for muito alta, isso fará com que os elementos metálicos de baixo ponto de fusão se vaporizem, exacerbando ainda mais a instabilidade do processo LBPF. Portanto, com o aumento da porosidade, as propriedades mecânicas e a resistência à fadiga das peças impressas são significativamente reduzidas. A distribuição desigual de energia dos feixes gaussianos também leva à baixa eficiência de utilização da energia do laser e ao desperdício excessivo de energia. A fim de obter melhor qualidade de impressão, os estudiosos começaram a explorar a compensação dos defeitos dos feixes gaussianos, modificando parâmetros do processo, como potência do laser, velocidade de varredura, espessura da camada de pó e estratégia de varredura, a fim de controlar a possibilidade de entrada de energia. Devido à janela de processamento muito estreita deste método, limitações físicas fixas limitam a possibilidade de otimização adicional. Por exemplo, aumentar a potência do laser e a velocidade de digitalização pode alcançar alta eficiência de fabricação, mas muitas vezes tem o custo de sacrificar a qualidade de impressão. Nos últimos anos, alterar a distribuição de energia do laser por meio de estratégias de modelagem de feixe pode melhorar significativamente a eficiência de fabricação e a qualidade de impressão, o que pode se tornar a futura direção de desenvolvimento da tecnologia de fabricação aditiva a laser. A tecnologia de modelagem de feixe geralmente se refere ao ajuste da distribuição da frente de onda do feixe de entrada para obter a distribuição de intensidade desejada e as características de propagação. A aplicação da tecnologia de modelagem de feixe na tecnologia de fabricação aditiva de metal é mostrada na Figura 2.
Aplicação da tecnologia de modelagem de feixe na fabricação aditiva a laser
As deficiências da impressão tradicional de feixe gaussiano
Na tecnologia de fabricação aditiva a laser de metal, a distribuição de energia do feixe de laser tem um impacto significativo na qualidade das peças impressas. Embora os feixes gaussianos tenham sido amplamente utilizados em equipamentos de fabricação aditiva a laser de metal, eles sofrem de sérias desvantagens, como qualidade de impressão instável, baixa utilização de energia e janelas de processo estreitas no processo de fabricação aditiva. Entre eles, o processo de fusão do pó e a dinâmica da poça fundida durante o processo de aditivo a laser metálico estão intimamente relacionados à espessura da camada de pó. Devido à presença de salpicos de pó e zonas de erosão, a espessura real da camada de pó é superior à expectativa teórica. Em segundo lugar, a coluna de vapor causou os principais respingos do jato para trás. O vapor metálico colide com a parede traseira para formar respingos, que são pulverizados ao longo da parede frontal perpendicularmente à área côncava da poça de fusão (como mostrado na Figura 3). Devido à interação complexa entre o feixe de laser e os respingos, os respingos ejetados podem afetar seriamente a qualidade de impressão das camadas de pó subsequentes. Além disso, a formação de buracos na poça de fusão também afeta seriamente a qualidade das peças impressas. Os poros internos da peça impressa são causados principalmente por furos de travamento instáveis.
O mecanismo de formação de defeitos na tecnologia de modelagem de feixes
A tecnologia de modelagem de feixe pode alcançar melhoria de desempenho em múltiplas dimensões simultaneamente, o que é diferente dos feixes gaussianos que melhoram o desempenho em uma dimensão ao custo de sacrificar outras dimensões. A tecnologia de modelagem de feixe pode ajustar com precisão a distribuição de temperatura e as características de fluxo da poça de fusão. Ao controlar a distribuição da energia do laser, é obtida uma poça fundida relativamente estável com um pequeno gradiente de temperatura. A distribuição adequada da energia do laser é benéfica para suprimir defeitos de porosidade e pulverização catódica e melhorar a qualidade da impressão a laser em peças metálicas. Pode alcançar várias melhorias na eficiência da produção e na utilização do pó. Ao mesmo tempo, a tecnologia de modelagem de feixe nos fornece mais estratégias de processamento, liberando enormemente a liberdade de design do processo, o que é um progresso revolucionário na tecnologia de fabricação aditiva a laser.
Horário da postagem: 28 de fevereiro de 2024
