Lazer katkılı imalat (AM) teknolojisi, yüksek üretim hassasiyeti, güçlü esneklik ve yüksek otomasyon derecesi avantajlarıyla otomotiv, tıp, havacılık vb. alanlarda (roket yakıt nozulları, uydu anten braketleri, insan implantları vb.) önemli bileşenlerin üretiminde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu teknoloji, malzeme yapısı ve performansının entegre üretimi yoluyla basılı parçaların kombinasyon performansını büyük ölçüde iyileştirebilir. Şu anda, lazer katkılı imalat teknolojisi genellikle yüksek merkez ve düşük kenar enerji dağılımına sahip odaklanmış bir Gauss ışını kullanmaktadır. Bununla birlikte, eriyikte sıklıkla yüksek termal gradyanlar oluşturarak, daha sonra gözeneklerin ve iri tanelerin oluşmasına yol açmaktadır. Işın şekillendirme teknolojisi, lazer ışını enerjisinin dağılımını ayarlayarak baskı verimliliğini ve kalitesini iyileştiren bu sorunu çözmek için yeni bir yöntemdir.
Geleneksel çıkarma ve eşdeğer imalat yöntemleriyle karşılaştırıldığında, metal katkılı imalat teknolojisi, kısa üretim döngüsü süresi, yüksek işleme hassasiyeti, yüksek malzeme kullanım oranı ve parçaların genel performansının iyi olması gibi avantajlara sahiptir. Bu nedenle, metal katkılı imalat teknolojisi havacılık, silah ve ekipman, nükleer enerji, biyofarmasötikler ve otomotiv gibi sektörlerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Ayrık istifleme prensibine dayanan metal katkılı imalat, tozu veya teli eritmek için bir enerji kaynağı (lazer, ark veya elektron ışını gibi) kullanır ve ardından hedef bileşeni üretmek için bunları katman katman istifler. Bu teknoloji, küçük partiler, karmaşık yapılar veya kişiselleştirilmiş parçaların üretiminde önemli avantajlara sahiptir. Geleneksel tekniklerle işlenemeyen veya işlenmesi zor olan malzemeler de katkılı imalat yöntemleri kullanılarak hazırlanabilir. Yukarıdaki avantajlar nedeniyle, katkılı imalat teknolojisi hem yurt içinde hem de yurt dışında bilim insanlarının geniş ilgisini çekmiştir. Son birkaç on yılda, katkılı imalat teknolojisi hızlı bir ilerleme kaydetmiştir. Lazerli eklemeli imalat ekipmanlarının otomasyonu ve esnekliğinin yanı sıra yüksek lazer enerji yoğunluğu ve yüksek işleme hassasiyetinin kapsamlı avantajları sayesinde, lazerli eklemeli imalat teknolojisi, yukarıda bahsedilen üç metal eklemeli imalat teknolojisi arasında en hızlı gelişen teknoloji olmuştur.
Lazer metal katkılı imalat teknolojisi, LPBF ve DED olarak ikiye ayrılabilir. Şekil 1, LPBF ve DED işlemlerinin tipik bir şematik diyagramını göstermektedir. Seçici Lazer Eritme (SLM) olarak da bilinen LPBF işlemi, yüksek enerjili lazer ışınlarını toz yatağının yüzeyinde sabit bir yol boyunca tarayarak karmaşık metal bileşenler üretebilir. Daha sonra toz erir ve katman katman katılaşır. DED işlemi esas olarak iki baskı işlemini içerir: lazer eritme biriktirme ve lazer tel beslemeli katkılı imalat. Bu teknolojilerin her ikisi de metal tozunu veya teli senkronize olarak besleyerek metal parçaları doğrudan üretebilir ve onarabilir. LPBF'ye kıyasla DED, daha yüksek verimliliğe ve daha büyük üretim alanına sahiptir. Ayrıca, bu yöntem kompozit malzemeleri ve fonksiyonel olarak derecelendirilmiş malzemeleri de kolaylıkla hazırlayabilir. Bununla birlikte, DED ile basılan parçaların yüzey kalitesi her zaman düşüktür ve hedef bileşenin boyutsal doğruluğunu iyileştirmek için sonraki işlemler gereklidir.
Mevcut lazerli eklemeli imalat sürecinde, odaklanmış Gauss ışını genellikle enerji kaynağı olarak kullanılır. Bununla birlikte, benzersiz enerji dağılımı (yüksek merkez, düşük kenar) nedeniyle, yüksek termal gradyanlara ve erime havuzunun kararsızlığına neden olma olasılığı yüksektir. Bu da basılan parçaların düşük şekillendirme kalitesine yol açar. Ek olarak, erime havuzunun merkez sıcaklığı çok yüksekse, düşük erime noktasına sahip metal elementlerin buharlaşmasına neden olarak LBPF sürecinin kararsızlığını daha da kötüleştirir. Bu nedenle, gözenekliliğin artmasıyla birlikte, basılan parçaların mekanik özellikleri ve yorulma ömrü önemli ölçüde azalır. Gauss ışınlarının düzensiz enerji dağılımı ayrıca düşük lazer enerji kullanım verimliliğine ve aşırı enerji israfına yol açar. Daha iyi baskı kalitesi elde etmek için, bilim insanları, enerji giriş olasılığını kontrol etmek amacıyla lazer gücü, tarama hızı, toz tabakası kalınlığı ve tarama stratejisi gibi işlem parametrelerini değiştirerek Gauss ışınlarının kusurlarını telafi etmeyi araştırmaya başlamışlardır. Bu yöntemin çok dar işlem aralığı nedeniyle, sabit fiziksel sınırlamalar daha fazla optimizasyon olasılığını kısıtlamaktadır. Örneğin, lazer gücünü ve tarama hızını artırmak yüksek üretim verimliliği sağlayabilir, ancak genellikle baskı kalitesinden ödün vermek pahasına gerçekleşir. Son yıllarda, ışın şekillendirme stratejileri yoluyla lazer enerji dağılımını değiştirmek, üretim verimliliğini ve baskı kalitesini önemli ölçüde iyileştirebilir ve bu da lazer katkılı imalat teknolojisinin gelecekteki gelişim yönü olabilir. Işın şekillendirme teknolojisi genel olarak, istenen yoğunluk dağılımını ve yayılma özelliklerini elde etmek için giriş ışınının dalga cephesi dağılımını ayarlamayı ifade eder. Metal katkılı imalat teknolojisinde ışın şekillendirme teknolojisinin uygulaması Şekil 2'de gösterilmiştir.
Lazer katkılı imalatta ışın şekillendirme teknolojisinin uygulanması
Geleneksel Gauss ışınlı baskının eksiklikleri
Metal lazerli eklemeli imalat teknolojisinde, lazer ışınının enerji dağılımı, basılan parçaların kalitesi üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Gauss ışınları metal lazerli eklemeli imalat ekipmanlarında yaygın olarak kullanılsa da, eklemeli imalat sürecinde kararsız baskı kalitesi, düşük enerji kullanımı ve dar işlem aralıkları gibi ciddi dezavantajlara sahiptirler. Bunlar arasında, metal lazerli eklemeli imalat sürecinde tozun erime süreci ve erimiş havuzun dinamikleri, toz tabakasının kalınlığıyla yakından ilişkilidir. Toz sıçraması ve aşınma bölgelerinin varlığı nedeniyle, toz tabakasının gerçek kalınlığı teorik beklentiden daha yüksektir. İkinci olarak, buhar sütunu ana geri püskürtme sıçramalarına neden olur. Metal buharı arka duvarla çarpışarak sıçramalar oluşturur ve bunlar erimiş havuzun içbükey alanına dik olarak ön duvar boyunca püskürtülür (Şekil 3'te gösterildiği gibi). Lazer ışını ve sıçramalar arasındaki karmaşık etkileşim nedeniyle, fırlatılan sıçramalar sonraki toz katmanlarının baskı kalitesini ciddi şekilde etkileyebilir. Ayrıca, erimiş havuzda anahtar deliği oluşumu da basılan parçaların kalitesini ciddi şekilde etkiler. Baskılı parçanın iç gözenekleri esas olarak kararsız kilitleme deliklerinden kaynaklanmaktadır.
Işın şekillendirme teknolojisinde kusurların oluşum mekanizması
Işın şekillendirme teknolojisi, Gauss ışınlarının tek bir boyutta performans artışı sağlarken diğer boyutlardan ödün vermesinden farklı olarak, aynı anda birden fazla boyutta performans iyileştirmesi sağlayabilir. Işın şekillendirme teknolojisi, erime havuzunun sıcaklık dağılımını ve akış özelliklerini hassas bir şekilde ayarlayabilir. Lazer enerjisinin dağılımını kontrol ederek, küçük bir sıcaklık gradyanına sahip nispeten kararlı bir erime havuzu elde edilir. Uygun lazer enerjisi dağılımı, gözenekliliği ve püskürtme kusurlarını bastırmak ve metal parçalar üzerinde lazer baskı kalitesini iyileştirmek için faydalıdır. Üretim verimliliğinde ve toz kullanımında çeşitli iyileştirmeler sağlayabilir. Aynı zamanda, ışın şekillendirme teknolojisi bize daha fazla işleme stratejisi sunarak, işlem tasarımının özgürlüğünü büyük ölçüde artırır; bu da lazer katkılı imalat teknolojisinde devrim niteliğinde bir ilerlemedir.
Yayın tarihi: 28 Şubat 2024
