Ứng dụng công nghệ định hình chùm tia trong sản xuất bồi đắp kim loại bằng laser.

Công nghệ sản xuất bồi đắp bằng laser (AM), với những ưu điểm về độ chính xác sản xuất cao, tính linh hoạt mạnh mẽ 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 vòi phun nhiên liệu tên lửa, giá đỡ ăng ten vệ tinh, cấy ghép cho 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 hội tụ với phân bố năng lượng cao ở trung tâm và thấp ở rìa. Tuy nhiên, nó thường tạo ra gradient nhiệt cao trong chất 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 bằng cách điều chỉnh sự phân bố năng lượng của chùm tia laser.

So với phương pháp gia công cắt gọt truyền thống và gia công 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 gia công 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 lý xếp chồng rời rạc, sản xuất bồi đắp kim loại sử dụng nguồn năng lượng (như laser, hồ quang hoặc chùm electron) để làm tan chảy bột hoặc dây, sau đó xếp chồng chúng từng lớp để chế tạo thành phần mục tiêu. Công nghệ này có những ưu điểm đáng kể trong việc sản xuất các lô nhỏ, cấu trúc phức tạp hoặc các bộ phận được cá nhân hóa. Các vật liệu không thể hoặc khó gia công bằng các kỹ thuật truyền thống cũng phù hợp để chế tạo bằng phương pháp sản xuất bồi đắp. Nhờ những ưu điểm trên, công nghệ sản xuất bồi đắp đã thu hút sự quan tâm rộng rãi của các học giả trong và ngoài nước. Trong vài thập kỷ qua, công nghệ sản xuất bồi đắp đã có những bước tiến nhanh chóng. Nhờ tính tự động hóa và linh hoạt của thiết bị sản xuất bồi đắp bằng laser, cũng như những ưu điểm toàn diện của mật độ năng lượng laser cao và độ chính xác gia công cao, công nghệ sản xuất bồi đắp bằng laser đã phát triển nhanh nhất trong ba công nghệ sản xuất bồi đắp kim loại được đề cập ở trên.

Công nghệ sản xuất bồi đắp kim loại bằng laser có thể được chia nhỏ hơn nữa thành LPBF và DED. Hình 1 cho thấy sơ đồ điển hình của quy trình LPBF và DED. Quy trình LPBF, còn được gọi là Nung chảy Laser Chọn lọc (SLM), có thể chế tạo các chi tiết 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 đặc từng lớp. Quy trình DED chủ yếu bao gồm hai quy trình in: lắng đọng nóng chảy laser và sản xuất bồi đắp cấp dây laser. Cả hai công nghệ này đều có thể trực tiếp sản xuất và sửa chữa các bộ phận kim loại bằng cách cấp đồng thời bột kim loại hoặc dây. So với LPBF, DED có năng suất cao hơn và diện tích sản xuất lớn hơn. Ngoài ra, phương pháp này cũng có thể dễ dàng chuẩn bị vật liệu composite và vật liệu phân cấp chức năng. Tuy nhiên, chất lượng bề mặt của các bộ phận được in bằng DED thường kém, và cần phải xử lý tiếp theo để cải thiện độ chính xác kích thước của chi tiết mục tiêu.

Trong quy trình sản xuất bồi đắp bằng laser hiện nay, chùm tia Gaussian hội tụ thường được sử dụng làm nguồn năng lượng. Tuy nhiên, do sự phân bố năng lượng độc đáo của nó (trung tâm cao, rìa thấp), nó dễ gây ra sự chênh lệch nhiệt độ lớn và sự không ổn định của vùng nóng chảy, dẫn đến chất lượng tạo hình các chi tiết in kém. Ngoài ra, nếu nhiệt độ trung tâm của vùng nóng chảy quá cao, nó sẽ làm cho các nguyên tố kim loại có điểm nóng chảy thấp bay hơi, làm trầm trọng thêm sự không ổn định của quy trình LBPF. Do đó, với sự gia tăng độ xốp, các tính chất cơ học và tuổi thọ mỏi của các chi tiết in bị giảm đáng kể. Sự phân bố năng lượng không đồng đều của chùm tia 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 nhà nghiên cứu đã bắt đầu tìm cách bù đắp các nhược điểm của chùm tia Gaussian bằng cách điều chỉnh các thông số quy trình như công suất laser, tốc độ quét, độ dày lớp bột và chiến lược quét, nhằm kiểm soát khả năng cung cấp năng lượng. Do cửa sổ xử lý rất hẹp của phương pháp này, các giới hạn vật lý cố định hạn chế khả năng tối ưu hóa hơn nữa. Ví dụ, việc tăng công suất laser và tốc độ quét có thể đạt được hiệu quả sản xuất cao, nhưng thường phải trả giá bằng việc hy sinh chất lượng in. Trong những năm gần đây, việc thay đổi phân bố năng lượng laser thông qua các chiến lược định hình chùm tia có thể cải thiện đáng kể hiệu quả sản xuất và chất lượng in, điều này có thể trở thành hướng phát triển trong tương lai của công nghệ sản xuất bồi đắp bằng laser. Công nghệ định hình chùm tia nói chung đề cập đến việc điều chỉnh phân bố sóng của chùm tia đầu vào để thu được phân bố cường độ và đặc tính truyền dẫn mong muốn. Ứng dụng của công nghệ định hình chùm tia trong công nghệ sản xuất bồi đắp kim loại được thể hiện trong Hình 2.

Ứng dụng công nghệ định hình chùm tia trong sản xuất bồi đắp bằng laser

Những hạn chế của phương pháp in bằng chùm tia Gaussian truyền thống

Trong công nghệ sản xuất bồi đắp kim loại bằng laser, sự phân bố năng lượng của chùm tia laser có tác động đáng kể đến chất lượng của các chi tiết được in. Mặc dù chùm tia Gaussian đã được sử dụng rộng rãi trong thiết bị sản xuất bồi đắp kim loại bằng laser, nhưng chúng vẫn gặp phải những nhược điểm nghiêm trọng như chất lượng in không ổn định, hiệu suất năng lượng thấp và phạm vi hoạt động hẹp trong quá trình sản xuất bồi đắp. Trong đó, quá trình nóng chảy của bột và động lực học của vũng nóng chảy trong quá trình sản xuất bồi đắp kim loại bằng laser có liên quan chặt chẽ đến độ dày của lớp bột. Do sự hiện diện của các vùng bắn tóe và ăn mòn bột, độ dày thực tế của lớp bột cao hơn so với dự kiến ​​lý thuyết. Thứ hai, cột hơi nước gây ra các tia bắn tóe ngược chính. Hơi kim loại va chạm với thành sau tạo thành các tia bắn tóe, được phun dọc theo thành trước vuông góc với vùng lõm của vũng nóng chảy (như thể hiện trong Hình 3). Do sự tương tác phức tạp giữa chùm tia laser và các tia bắn tóe, các tia bắn tóe bị đẩy ra có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng in của các lớp bột tiếp theo. Ngoài ra, sự hình thành các lỗ hổng trong vũng nóng chảy cũng ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng của các chi tiết được in. Các lỗ rỗng bên trong của sản phẩm in chủ yếu là do các lỗ khóa không ổn định gây ra.

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 trên nhiều chiều cùng một lúc, khác với chùm tia Gaussian chỉ cải thiện hiệu suất trên một chiều nhưng lại làm giảm hiệu suất ở các chiều khác. Công nghệ định hình chùm tia có thể điều chỉnh chính xác sự phân bố nhiệt độ và đặc tính dòng chảy của vùng nóng chảy. Bằng cách kiểm soát sự phân bố năng lượng laser, ta thu được vùng nóng chảy tương đối ổn định với độ chênh lệch nhiệt độ nhỏ. Sự phân bố năng lượng laser thích hợp có lợi cho việc giảm thiểu độ rỗ và các khuyết tật bắn phá, đồng thời cải thiện chất lượng in laser trên các bộ phận kim loại. Nó có thể đạt được nhiều cải tiến về hiệu quả sản xuất và sử dụng bột. Đồng thời, công nghệ định hình chùm tia cung cấp cho chúng ta nhiều chiến lược xử lý hơn, giải phóng đáng kể sự tự do trong thiết kế quy trình, đây là một bước tiến mang tính cách mạng trong công nghệ sản xuất bồi đắp bằng laser.