Công nghệ sản xuất bồi đắp bằng laser (AM) với ưu điểm là độ chính xác sản xuất cao, tính linh hoạt cao và mức độ tự động hóa cao, được sử dụng rộng rãi trong sản xuất các bộ phận quan trọng trong các lĩnh vực như ô tô, y tế, hàng không vũ trụ, v.v. (chẳng hạn như tên lửa vòi phun nhiên liệu, giá đỡ ăng-ten vệ tinh, bộ phận cấy ghép của con người, v.v.). Công nghệ này có thể cải thiện đáng kể hiệu suất kết hợp của các bộ phận được in thông qua việc sản xuất tích hợp cấu trúc và hiệu suất vật liệu. Hiện nay, công nghệ sản xuất bồi đắp bằng laser thường sử dụng chùm tia Gaussian tập trung với sự phân bổ năng lượng ở trung tâm cao và cạnh thấp. Tuy nhiên, nó thường tạo ra gradient nhiệt cao trong quá trình nóng chảy, dẫn đến sự hình thành các lỗ rỗng và hạt thô sau đó. Công nghệ định hình chùm tia là một phương pháp mới để giải quyết vấn đề này, giúp cải thiện hiệu quả và chất lượng in ấn bằng cách điều chỉnh sự phân bổ năng lượng của chùm tia laser.
So với phép trừ truyền thống và sản xuất tương đương, công nghệ sản xuất bồi đắp kim loại có những ưu điểm như thời gian chu kỳ sản xuất ngắn, độ chính xác xử lý cao, tỷ lệ sử dụng vật liệu cao và hiệu suất tổng thể tốt của các bộ phận. Do đó, công nghệ sản xuất bồi đắp kim loại được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như hàng không vũ trụ, vũ khí và thiết bị, năng lượng hạt nhân, dược phẩm sinh học và ô tô. Dựa trên nguyên tắc xếp chồng rời rạc, sản xuất bồi đắp kim loại sử dụng nguồn năng lượng (chẳng hạn như tia laser, hồ quang hoặc chùm tia điện tử) để làm nóng chảy bột hoặc dây, sau đó xếp chồng chúng lên nhau từng lớp để sản xuất thành phần mục tiêu. Công nghệ này có lợi thế đáng kể trong việc sản xuất các lô nhỏ, cấu trúc phức tạp hoặc các bộ phận được cá nhân hóa. Những vật liệu không thể hoặc khó gia công bằng kỹ thuật truyền thống cũng phù hợp để chế biến bằng phương pháp sản xuất bồi đắp. Nhờ những ưu điểm trên, công nghệ sản xuất bồi đắp đã thu hút được sự quan tâm rộng rãi của các học giả trong nước và quốc tế. Trong vài thập kỷ qua, công nghệ sản xuất bồi đắp đã có những tiến bộ nhanh chóng. Do tính tự động hóa và tính linh hoạt của thiết bị sản xuất bồi đắp bằng laser, cũng như lợi thế toàn diện về mật độ năng lượng laser cao và độ chính xác xử lý cao, công nghệ sản xuất bồi đắp bằng laser đã phát triển nhanh nhất trong số ba công nghệ sản xuất bồi đắp kim loại nêu trên.
Công nghệ sản xuất bồi đắp kim loại bằng laser có thể được chia thành LPBF và DED. Hình 1 thể hiện sơ đồ điển hình của các quy trình LPBF và DED. Quy trình LPBF, còn được gọi là Công nghệ nấu chảy laser chọn lọc (SLM), có thể sản xuất các thành phần kim loại phức tạp bằng cách quét các chùm tia laser năng lượng cao dọc theo một đường cố định trên bề mặt của lớp bột. Sau đó, bột tan chảy và đông cứng lại từng lớp. Quá trình DED chủ yếu bao gồm hai quy trình in: lắng đọng nóng chảy bằng laser và sản xuất bồi đắp cấp dây laser. Cả hai công nghệ này đều có thể trực tiếp chế tạo và sửa chữa các bộ phận kim loại bằng cách cấp liệu đồng bộ bột hoặc dây kim loại. So với LPBF, DED có năng suất cao hơn và diện tích sản xuất lớn hơn. Ngoài ra, phương pháp này còn có thể chuẩn bị vật liệu composite và vật liệu được phân loại theo chức năng một cách thuận tiện. Tuy nhiên, chất lượng bề mặt của các bộ phận được in bằng DED luôn kém và cần phải xử lý tiếp theo để cải thiện độ chính xác về kích thước của bộ phận mục tiêu.
Trong quy trình sản xuất bồi đắp bằng laser hiện nay, chùm tia Gaussian tập trung thường là nguồn năng lượng. Tuy nhiên, do sự phân bố năng lượng độc đáo của nó (trung tâm cao, cạnh thấp), nó có khả năng gây ra độ dốc nhiệt cao và sự mất ổn định của bể tan chảy. Dẫn đến chất lượng hình thành của các bộ phận in kém. Ngoài ra, nếu nhiệt độ trung tâm của bể nóng chảy quá cao sẽ khiến các nguyên tố kim loại có điểm nóng chảy thấp bốc hơi, càng làm trầm trọng thêm tính không ổn định của quá trình LBPF. Do đó, với sự gia tăng độ xốp, tính chất cơ học và tuổi thọ mỏi của các bộ phận in sẽ giảm đáng kể. Sự phân bố năng lượng không đồng đều của chùm Gaussian cũng dẫn đến hiệu suất sử dụng năng lượng laser thấp và lãng phí năng lượng quá mức. Để đạt được chất lượng in tốt hơn, các học giả đã bắt đầu khám phá việc bù đắp các khiếm khuyết của chùm tia Gaussian bằng cách sửa đổi các tham số quy trình như công suất laser, tốc độ quét, độ dày lớp bột và chiến lược quét để kiểm soát khả năng đầu vào năng lượng. Do cửa sổ xử lý rất hẹp của phương pháp này, các giới hạn vật lý cố định sẽ hạn chế khả năng tối ưu hóa hơn nữa. Ví dụ: tăng công suất laser và tốc độ quét có thể đạt được hiệu quả sản xuất cao nhưng thường phải trả giá bằng việc giảm chất lượng in. Trong những năm gần đây, việc thay đổi sự phân bổ năng lượng laser thông qua chiến lược định hình chùm tia có thể cải thiện đáng kể hiệu quả sản xuất và chất lượng in, có thể trở thành hướng phát triển trong tương lai của công nghệ sản xuất bồi đắp laser. Công nghệ định hình chùm tia thường đề cập đến việc điều chỉnh sự phân bố mặt sóng của chùm tia đầu vào để đạt được các đặc tính lan truyền và phân bố cường độ mong muốn. Ứng dụng công nghệ tạo hình chùm tia trong công nghệ sản xuất bồi đắp kim loại được thể hiện trên Hình 2.
Ứng dụng công nghệ tạo hình chùm tia trong sản xuất bồi đắp bằng laser
Những thiếu sót của in chùm tia Gaussian truyền thống
Trong công nghệ sản xuất đắp dần bằng laser kim loại, sự phân bố năng lượng của chùm tia laser có tác động đáng kể đến chất lượng của các bộ phận được in. Mặc dù chùm tia Gaussian đã được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị sản xuất bồi đắp bằng laser kim loại, nhưng chúng có những hạn chế nghiêm trọng như chất lượng in không ổn định, mức sử dụng năng lượng thấp và cửa sổ quy trình hẹp trong quy trình sản xuất bồi đắp. Trong số đó, quá trình nóng chảy của bột và động lực của bể nóng chảy trong quá trình phụ gia laser kim loại có liên quan chặt chẽ đến độ dày của lớp bột. Do sự hiện diện của vùng bắn bột và xói mòn, độ dày thực tế của lớp bột cao hơn mong đợi về mặt lý thuyết. Thứ hai, cột hơi gây ra tia phản lực chính bắn ngược. Hơi kim loại va chạm với thành sau tạo thành các tia bắn, phun dọc theo thành trước vuông góc với vùng lõm của bể nóng chảy (như trong Hình 3). Do sự tương tác phức tạp giữa chùm tia laze và các tia bắn, các tia bắn ra có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng in của các lớp bột tiếp theo. Ngoài ra, sự hình thành lỗ khóa trong bể tan chảy cũng ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng của các bộ phận in. Các lỗ bên trong của vật liệu in chủ yếu là do các lỗ khóa không ổn định.
Cơ chế hình thành khuyết tật trong công nghệ tạo hình chùm tia
Công nghệ định hình chùm tia có thể đạt được sự cải thiện hiệu suất ở nhiều chiều cùng một lúc, khác với chùm Gaussian cải thiện hiệu suất ở một chiều nhưng phải hy sinh các chiều khác. Công nghệ tạo hình chùm tia có thể điều chỉnh chính xác đặc tính phân bố nhiệt độ và dòng chảy của bể tan chảy. Bằng cách kiểm soát sự phân bố năng lượng laser, người ta thu được một bể nóng chảy tương đối ổn định với độ dốc nhiệt độ nhỏ. Sự phân bổ năng lượng laser thích hợp có lợi cho việc hạn chế các khuyết tật về độ xốp và phún xạ, đồng thời cải thiện chất lượng in laser trên các bộ phận kim loại. Nó có thể đạt được nhiều cải tiến khác nhau về hiệu quả sản xuất và sử dụng bột. Đồng thời, công nghệ tạo hình chùm tia cung cấp cho chúng ta nhiều chiến lược xử lý hơn, giải phóng đáng kể quyền tự do thiết kế quy trình, đây là một tiến bộ mang tính cách mạng trong công nghệ sản xuất bồi đắp bằng laser.
Thời gian đăng: 28-02-2024
