Aplicación de la tecnología de conformación de haces en la fabricación aditiva por láser de metales.

La tecnología de fabricación aditiva por láser (AM), con sus ventajas de alta precisión de fabricación, gran flexibilidad y alto grado de automatización, se utiliza ampliamente en la fabricación de componentes clave en campos como el automotriz, médico, aeroespacial, etc. (como el de cohetes). boquillas de combustible, soportes de antenas de satélite, implantes humanos, etc.). Esta tecnología puede mejorar en gran medida el rendimiento combinado de piezas impresas mediante la fabricación integrada de la estructura y el rendimiento del material. En la actualidad, la tecnología de fabricación aditiva por láser generalmente adopta un haz gaussiano enfocado con un centro alto y una distribución de energía de borde bajo. Sin embargo, a menudo genera altos gradientes térmicos en la masa fundida, lo que conduce a la posterior formación de poros y granos gruesos. La tecnología de conformación de haz es un nuevo método para resolver este problema, que mejora la eficiencia y la calidad de la impresión ajustando la distribución de la energía del rayo láser.

En comparación con la sustracción tradicional y la fabricación equivalente, la tecnología de fabricación aditiva de metales tiene ventajas como un tiempo de ciclo de fabricación corto, alta precisión de procesamiento, alta tasa de utilización de materiales y buen rendimiento general de las piezas. Por lo tanto, la tecnología de fabricación aditiva de metales se utiliza ampliamente en industrias como la aeroespacial, de armas y equipos, de energía nuclear, biofarmacéutica y de automóviles. Basada en el principio de apilamiento discreto, la fabricación aditiva de metales utiliza una fuente de energía (como láser, arco o haz de electrones) para fundir el polvo o el alambre y luego los apila capa por capa para fabricar el componente objetivo. Esta tecnología tiene importantes ventajas a la hora de producir lotes pequeños, estructuras complejas o piezas personalizadas. Los materiales que no pueden procesarse o son difíciles de procesar mediante técnicas tradicionales también son adecuados para su preparación mediante métodos de fabricación aditiva. Debido a las ventajas anteriores, la tecnología de fabricación aditiva ha atraído una amplia atención por parte de los académicos tanto a nivel nacional como internacional. En las últimas décadas, la tecnología de fabricación aditiva ha avanzado rápidamente. Debido a la automatización y flexibilidad de los equipos de fabricación aditiva por láser, así como a las amplias ventajas de la alta densidad de energía del láser y la alta precisión del procesamiento, la tecnología de fabricación aditiva por láser se ha desarrollado más rápidamente entre las tres tecnologías de fabricación aditiva de metal mencionadas anteriormente.

La tecnología de fabricación aditiva de metales con láser se puede dividir en LPBF y DED. La Figura 1 muestra un diagrama esquemático típico de los procesos LPBF y DED. El proceso LPBF, también conocido como fusión selectiva por láser (SLM), puede fabricar componentes metálicos complejos escaneando rayos láser de alta energía a lo largo de una trayectoria fija en la superficie de un lecho de polvo. Luego, el polvo se funde y solidifica capa por capa. El proceso DED incluye principalmente dos procesos de impresión: deposición por fusión por láser y fabricación aditiva con alimentación de alambre por láser. Ambas tecnologías pueden fabricar y reparar directamente piezas metálicas alimentando sincrónicamente polvo o alambre metálico. En comparación con LPBF, DED tiene mayor productividad y mayor área de fabricación. Además, este método también puede preparar convenientemente materiales compuestos y materiales clasificados funcionalmente. Sin embargo, la calidad de la superficie de las piezas impresas con DED siempre es mala y es necesario un procesamiento posterior para mejorar la precisión dimensional del componente objetivo.

En el proceso actual de fabricación aditiva por láser, el haz gaussiano enfocado suele ser la fuente de energía. Sin embargo, debido a su distribución única de energía (centro alto, borde bajo), es probable que cause altos gradientes térmicos e inestabilidad del baño de fusión. Lo que resulta en una mala calidad de conformado de las piezas impresas. Además, si la temperatura central del baño fundido es demasiado alta, provocará que los elementos metálicos de bajo punto de fusión se vaporicen, exacerbando aún más la inestabilidad del proceso LBPF. Por tanto, con un aumento de la porosidad, las propiedades mecánicas y la vida a fatiga de las piezas impresas se reducen significativamente. La distribución desigual de la energía de los haces gaussianos también conduce a una baja eficiencia de utilización de la energía del láser y a un desperdicio excesivo de energía. Para lograr una mejor calidad de impresión, los académicos han comenzado a explorar la compensación de los defectos de los haces gaussianos modificando parámetros del proceso como la potencia del láser, la velocidad de escaneo, el espesor de la capa de polvo y la estrategia de escaneo, para controlar la posibilidad de entrada de energía. Debido a la ventana de procesamiento muy estrecha de este método, las limitaciones físicas fijas limitan la posibilidad de una mayor optimización. Por ejemplo, aumentar la potencia del láser y la velocidad de escaneo puede lograr una alta eficiencia de fabricación, pero a menudo conlleva el costo de sacrificar la calidad de impresión. En los últimos años, cambiar la distribución de la energía láser mediante estrategias de configuración del haz puede mejorar significativamente la eficiencia de fabricación y la calidad de impresión, lo que puede convertirse en la dirección de desarrollo futuro de la tecnología de fabricación aditiva por láser. La tecnología de conformación del haz generalmente se refiere al ajuste de la distribución del frente de onda del haz de entrada para obtener la distribución de intensidad y las características de propagación deseadas. La aplicación de la tecnología de conformación de vigas en la tecnología de fabricación aditiva de metales se muestra en la Figura 2.

Aplicación de la tecnología de conformación de haz en la fabricación aditiva por láser.

Las deficiencias de la impresión tradicional por haz gaussiano

En la tecnología de fabricación aditiva por láser de metales, la distribución de energía del rayo láser tiene un impacto significativo en la calidad de las piezas impresas. Aunque los haces gaussianos se han utilizado ampliamente en equipos de fabricación aditiva con láser metálico, adolecen de graves inconvenientes, como calidad de impresión inestable, baja utilización de energía y ventanas de proceso estrechas en el proceso de fabricación aditiva. Entre ellos, el proceso de fusión del polvo y la dinámica del baño fundido durante el proceso de aditivo láser metálico están estrechamente relacionados con el espesor de la capa de polvo. Debido a la presencia de salpicaduras de polvo y zonas de erosión, el espesor real de la capa de polvo es mayor que la expectativa teórica. En segundo lugar, la columna de vapor provocó las principales salpicaduras del chorro hacia atrás. El vapor de metal choca con la pared trasera para formar salpicaduras, que se rocían a lo largo de la pared frontal perpendicular al área cóncava del charco fundido (como se muestra en la Figura 3). Debido a la compleja interacción entre el rayo láser y las salpicaduras, las salpicaduras expulsadas pueden afectar gravemente a la calidad de impresión de las capas de polvo posteriores. Además, la formación de agujeros en el baño de fusión también afecta gravemente a la calidad de las piezas impresas. Los poros internos de la pieza impresa son causados ​​principalmente por orificios de bloqueo inestables.

El mecanismo de formación de defectos en la tecnología de conformación de haces.

La tecnología de conformación de haces puede lograr una mejora del rendimiento en múltiples dimensiones simultáneamente, a diferencia de los haces gaussianos que mejoran el rendimiento en una dimensión a costa de sacrificar otras dimensiones. La tecnología de conformación de haz puede ajustar con precisión la distribución de temperatura y las características de flujo del baño de fusión. Controlando la distribución de la energía láser, se obtiene un baño fundido relativamente estable con un pequeño gradiente de temperatura. La distribución adecuada de la energía láser es beneficiosa para suprimir la porosidad y los defectos de pulverización, y mejorar la calidad de la impresión láser en piezas metálicas. Puede lograr varias mejoras en la eficiencia de la producción y la utilización del polvo. Al mismo tiempo, la tecnología de conformación de haz nos proporciona más estrategias de procesamiento, lo que libera en gran medida la libertad de diseño de procesos, lo que supone un progreso revolucionario en la tecnología de fabricación aditiva por láser.