La tecnologia di produzione additiva laser (AM), con i suoi vantaggi di elevata precisione di produzione, forte flessibilità ed elevato grado di automazione, è ampiamente utilizzata nella produzione di componenti chiave in settori quali quello automobilistico, medico, aerospaziale, ecc. ugelli del carburante, supporti per antenne satellitari, impianti umani, ecc.). Questa tecnologia può migliorare notevolmente le prestazioni combinate delle parti stampate attraverso la produzione integrata della struttura e delle prestazioni del materiale. Allo stato attuale, la tecnologia di produzione additiva laser adotta generalmente un raggio gaussiano focalizzato con una distribuzione di energia al centro alto e ai bordi bassi. Tuttavia, spesso genera elevati gradienti termici nel fuso, portando alla successiva formazione di pori e grani grossolani. La tecnologia di modellazione del raggio è un nuovo metodo per risolvere questo problema, che migliora l'efficienza e la qualità della stampa regolando la distribuzione dell'energia del raggio laser.
Rispetto alla sottrazione tradizionale e alla produzione equivalente, la tecnologia di produzione additiva in metallo presenta vantaggi quali tempi di ciclo di produzione brevi, elevata precisione di lavorazione, elevato tasso di utilizzo del materiale e buone prestazioni complessive delle parti. Pertanto, la tecnologia di produzione additiva in metallo è ampiamente utilizzata in settori quali quello aerospaziale, delle armi e delle attrezzature, dell’energia nucleare, dei prodotti biofarmaceutici e delle automobili. Basata sul principio dell'impilamento discreto, la produzione additiva in metallo utilizza una fonte di energia (come laser, arco o fascio di elettroni) per fondere la polvere o il filo, quindi li impila strato per strato per produrre il componente target. Questa tecnologia presenta vantaggi significativi nella produzione di piccoli lotti, strutture complesse o parti personalizzate. I materiali che non possono o sono difficili da lavorare con le tecniche tradizionali sono adatti anche per la preparazione con metodi di produzione additiva. A causa dei vantaggi di cui sopra, la tecnologia di produzione additiva ha attirato l’attenzione diffusa da parte degli studiosi sia a livello nazionale che internazionale. Negli ultimi decenni, la tecnologia della produzione additiva ha fatto rapidi progressi. Grazie all'automazione e alla flessibilità delle apparecchiature di produzione additiva laser, nonché ai vantaggi completi dell'elevata densità di energia laser e dell'elevata precisione di lavorazione, la tecnologia di produzione additiva laser si è sviluppata più velocemente tra le tre tecnologie di produzione additiva metallica sopra menzionate.
La tecnologia di produzione additiva laser dei metalli può essere ulteriormente suddivisa in LPBF e DED. La Figura 1 mostra un tipico diagramma schematico dei processi LPBF e DED. Il processo LPBF, noto anche come Selective Laser Melting (SLM), può produrre componenti metallici complessi scansionando raggi laser ad alta energia lungo un percorso fisso sulla superficie di un letto di polvere. Quindi, la polvere si scioglie e si solidifica strato dopo strato. Il processo DED comprende principalmente due processi di stampa: deposizione mediante fusione laser e produzione additiva con alimentazione di filo laser. Entrambe queste tecnologie possono produrre e riparare direttamente parti metalliche alimentando in modo sincrono polvere o filo metallico. Rispetto a LPBF, DED ha una maggiore produttività e un’area produttiva più ampia. Inoltre, questo metodo può anche preparare convenientemente materiali compositi e materiali funzionalmente classificati. Tuttavia, la qualità della superficie delle parti stampate dal DED è sempre scarsa ed è necessaria un'elaborazione successiva per migliorare la precisione dimensionale del componente target.
Nell’attuale processo di produzione additiva laser, il raggio gaussiano focalizzato è solitamente la fonte di energia. Tuttavia, a causa della sua distribuzione energetica unica (centro alto, bordo basso), è probabile che causi elevati gradienti termici e instabilità del pool di fusione. Il risultato è una scarsa qualità di formatura delle parti stampate. Inoltre, se la temperatura centrale del bagno di fusione è troppo elevata, gli elementi metallici a basso punto di fusione vaporizzeranno, aggravando ulteriormente l'instabilità del processo LBPF. Pertanto, con l’aumento della porosità, le proprietà meccaniche e la durata a fatica delle parti stampate si riducono significativamente. La distribuzione non uniforme dell'energia dei raggi gaussiani porta anche a una bassa efficienza di utilizzo dell'energia laser e ad un eccessivo spreco di energia. Per ottenere una migliore qualità di stampa, gli studiosi hanno iniziato a esplorare la possibilità di compensare i difetti dei raggi gaussiani modificando parametri di processo come la potenza del laser, la velocità di scansione, lo spessore dello strato di polvere e la strategia di scansione, al fine di controllare la possibilità di input energetico. A causa della finestra di elaborazione molto ristretta di questo metodo, limitazioni fisiche fisse limitano la possibilità di un'ulteriore ottimizzazione. Ad esempio, l’aumento della potenza del laser e della velocità di scansione può raggiungere un’elevata efficienza produttiva, ma spesso comporta un sacrificio della qualità di stampa. Negli ultimi anni, la modifica della distribuzione dell’energia laser attraverso strategie di modellazione del fascio può migliorare significativamente l’efficienza produttiva e la qualità di stampa, il che potrebbe diventare la futura direzione di sviluppo della tecnologia di produzione additiva laser. La tecnologia di modellazione del fascio si riferisce generalmente alla regolazione della distribuzione del fronte d'onda del fascio di ingresso per ottenere la distribuzione dell'intensità e le caratteristiche di propagazione desiderate. L'applicazione della tecnologia di sagomatura del fascio nella tecnologia di produzione additiva in metallo è mostrata nella Figura 2.
Applicazione della tecnologia di beam shaping nella produzione additiva laser
Le carenze della tradizionale stampa a fascio gaussiano
Nella tecnologia di produzione additiva laser metallica, la distribuzione dell’energia del raggio laser ha un impatto significativo sulla qualità delle parti stampate. Sebbene i raggi gaussiani siano stati ampiamente utilizzati nelle apparecchiature di produzione additiva laser metallica, soffrono di gravi inconvenienti come qualità di stampa instabile, basso utilizzo di energia e finestre di processo ristrette nel processo di produzione additiva. Tra questi, il processo di fusione della polvere e la dinamica del bagno di fusione durante il processo di addizione laser metallico sono strettamente correlati allo spessore dello strato di polvere. A causa della presenza di schizzi di polvere e di zone di erosione, lo spessore effettivo dello strato di polvere è superiore a quello teorico. In secondo luogo, la colonna di vapore ha causato gli spruzzi del getto principale all'indietro. Il vapore metallico urta la parete posteriore formando spruzzi, che vengono spruzzati lungo la parete anteriore perpendicolarmente alla zona concava del bagno di fusione (come mostrato in Figura 3). A causa della complessa interazione tra il raggio laser e gli schizzi, gli schizzi emessi possono compromettere seriamente la qualità di stampa dei successivi strati di polvere. Inoltre, anche la formazione di buchi nel bagno di fusione influisce seriamente sulla qualità delle parti stampate. I pori interni del pezzo stampato sono causati principalmente da fori di bloccaggio instabili.
Il meccanismo di formazione dei difetti nella tecnologia del beam shaping
La tecnologia di modellazione del fascio può ottenere un miglioramento delle prestazioni in più dimensioni contemporaneamente, il che è diverso dai raggi gaussiani che migliorano le prestazioni in una dimensione a costo di sacrificare altre dimensioni. La tecnologia di modellazione del fascio può regolare con precisione la distribuzione della temperatura e le caratteristiche del flusso del pool di fusione. Controllando la distribuzione dell'energia laser, si ottiene un pool fuso relativamente stabile con un piccolo gradiente di temperatura. Un'adeguata distribuzione dell'energia laser è utile per eliminare la porosità e i difetti di sputtering e migliorare la qualità della stampa laser su parti metalliche. Può ottenere vari miglioramenti nell'efficienza produttiva e nell'utilizzo della polvere. Allo stesso tempo, la tecnologia di beam shaping ci fornisce più strategie di lavorazione, liberando notevolmente la libertà di progettazione del processo, che rappresenta un progresso rivoluzionario nella tecnologia di produzione additiva laser.
Orario di pubblicazione: 28 febbraio 2024
