יישום טכנולוגיית עיצוב קרן בייצור תוסף לייזר מתכת

טכנולוגיית ייצור תוסף לייזר (AM), עם יתרונותיה של דיוק ייצור גבוה, גמישות חזקה ודרגה גבוהה של אוטומציה, נמצאת בשימוש נרחב בייצור רכיבי מפתח בתחומים כגון רכב, רפואה, תעופה וחלל וכו' (כגון רקטות חרירי דלק, תושבת אנטנות לווין, שתלים אנושיים וכו'). טכנולוגיה זו יכולה לשפר מאוד את ביצועי השילוב של חלקים מודפסים באמצעות ייצור משולב של מבנה וביצועי החומר. כיום, טכנולוגיית ייצור תוסף לייזר מאמצת בדרך כלל אלומת גאוס ממוקדת עם מרכז גבוה וחלוקת אנרגיה נמוכה. עם זאת, לעתים קרובות הוא יוצר שיפועים תרמיים גבוהים בהמסה, מה שמוביל להיווצרות שלאחר מכן של נקבוביות וגרעינים גסים. טכנולוגיית עיצוב קרן היא שיטה חדשה לפתרון בעיה זו, המשפרת את יעילות ואיכות ההדפסה על ידי התאמת התפלגות אנרגיית קרן הלייזר.

בהשוואה לחיסור מסורתי וייצור שווה ערך, לטכנולוגיית ייצור תוספים מתכת יש יתרונות כגון זמן מחזור ייצור קצר, דיוק עיבוד גבוה, קצב ניצול חומרים גבוה וביצועים כלליים טובים של חלקים. לכן, טכנולוגיית ייצור תוספי מתכת נמצאת בשימוש נרחב בתעשיות כגון תעופה וחלל, נשק וציוד, כוח גרעיני, ביו-פרמצבטיקה ומכוניות. בהתבסס על עיקרון הערמה בדידה, ייצור תוסף מתכת משתמש במקור אנרגיה (כגון לייזר, קשת או קרן אלקטרונים) כדי להמיס את האבקה או החוט, ולאחר מכן מערם אותם שכבה אחר שכבה כדי לייצר את רכיב המטרה. לטכנולוגיה זו יתרונות משמעותיים בייצור אצוות קטנות, מבנים מורכבים או חלקים מותאמים אישית. חומרים שלא ניתן או קשים לעיבוד בטכניקות מסורתיות מתאימים גם להכנה בשיטות ייצור תוספים. בשל היתרונות שלעיל, טכנולוגיית ייצור תוסף משכה תשומת לב רחבה של חוקרים הן מקומיות והן בינלאומיות. בעשורים האחרונים, טכנולוגיית ייצור תוסף התקדמה במהירות. בשל האוטומציה והגמישות של ציוד לייצור תוסף לייזר, כמו גם היתרונות המקיפים של צפיפות אנרגיית לייזר גבוהה ודיוק עיבוד גבוה, טכנולוגיית ייצור תוסף לייזר התפתחה המהירה ביותר מבין שלוש טכנולוגיות ייצור תוסף מתכת שהוזכרו לעיל.

ניתן לחלק עוד יותר את טכנולוגיית ייצור מתכת לייזר ל-LPBF ו-DED. איור 1 מציג תרשים סכמטי טיפוסי של תהליכי LPBF ו-DED. תהליך LPBF, הידוע גם בשם Selective Laser Melting (SLM), יכול לייצר רכיבי מתכת מורכבים על ידי סריקת קרני לייזר באנרגיה גבוהה לאורך נתיב קבוע על פני מצע אבקה. לאחר מכן, האבקה נמסה ומתמצקת שכבה אחר שכבה. תהליך ה-DED כולל בעיקר שני תהליכי הדפסה: תצהיר התכת לייזר וייצור תוספים להזנת חוטי לייזר. שתי הטכנולוגיות הללו יכולות לייצר ולתקן חלקי מתכת ישירות על ידי הזנה סינכרונית של אבקת מתכת או חוט. בהשוואה ל-LPBF, ל-DED יש פרודוקטיביות גבוהה יותר ושטח ייצור גדול יותר. בנוסף, בשיטה זו ניתן להכין בצורה נוחה חומרים מרוכבים וחומרים מדורגים פונקציונלית. עם זאת, איכות פני השטח של החלקים המודפסים על ידי DED היא תמיד ירודה, ויש צורך בעיבוד שלאחר מכן כדי לשפר את הדיוק הממדים של רכיב המטרה.

בתהליך הייצור הנוכחי של תוסף לייזר, קרן גאוס ממוקדת היא בדרך כלל מקור האנרגיה. עם זאת, בשל פיזור האנרגיה הייחודי שלו (מרכז גבוה, קצה נמוך), הוא עשוי לגרום לשיפועים תרמיים גבוהים ולחוסר יציבות של בריכת ההיתוך. התוצאה היא איכות יצירה ירודה של חלקים מודפסים. בנוסף, אם טמפרטורת המרכז של הבריכה המותכת גבוהה מדי, היא תגרום לאידוי אלמנטי המתכת הנמוכים בנקודת ההיתוך, מה שיחריף עוד יותר את חוסר היציבות של תהליך ה-LBPF. לכן, עם עלייה בנקבוביות, התכונות המכניות וחיי העייפות של החלקים המודפסים מופחתים באופן משמעותי. חלוקת האנרגיה הלא אחידה של קרני גאוס מובילה גם ליעילות ניצול אנרגיית לייזר נמוכה ולבזבוז אנרגיה מוגזם. על מנת להשיג איכות הדפסה טובה יותר, חוקרים החלו לבחון פיצוי על הפגמים של קרני גאוס על ידי שינוי פרמטרים של תהליך כגון כוח לייזר, מהירות סריקה, עובי שכבת אבקה ואסטרטגיית סריקה, על מנת לשלוט באפשרות של הזנת אנרגיה. בשל חלון העיבוד הצר מאוד של שיטה זו, מגבלות פיזיות קבועות מגבילות את האפשרות לאופטימיזציה נוספת. לדוגמה, הגדלת עוצמת הלייזר ומהירות הסריקה יכולה להשיג יעילות ייצור גבוהה, אך לעתים קרובות גורמת לעלות של ויתור על איכות ההדפסה. בשנים האחרונות, שינוי חלוקת אנרגיית הלייזר באמצעות אסטרטגיות עיצוב קרן יכול לשפר משמעותית את יעילות הייצור ואיכות ההדפסה, מה שעשוי להפוך לכיוון הפיתוח העתידי של טכנולוגיית ייצור תוסף לייזר. טכנולוגיית עיצוב קרן מתייחסת בדרך כלל לכוונון התפלגות חזית הגל של קרן הקלט כדי להשיג את חלוקת העוצמה וההתפשטות הרצויים. היישום של טכנולוגיית עיצוב קרן בטכנולוגיית ייצור תוספי מתכת מוצג באיור 2.

יישום טכנולוגיית עיצוב קרן בייצור תוסף לייזר

החסרונות של הדפסת קורות גאוס מסורתית

בטכנולוגיית ייצור תוסף לייזר מתכת, לפיזור האנרגיה של קרן הלייזר יש השפעה משמעותית על איכות החלקים המודפסים. למרות שקורות גאוס נמצאות בשימוש נרחב בציוד לייצור תוסף לייזר מתכת, הן סובלות מחסרונות חמורים כגון איכות הדפסה לא יציבה, ניצול אנרגיה נמוך וחלונות תהליך צרים בתהליך הייצור התוסף. ביניהם, תהליך ההתכה של האבקה והדינמיקה של הבריכה המותכת בתהליך התוספת לייזר מתכת קשורים קשר הדוק לעובי שכבת האבקה. בשל נוכחותם של אזורי התזת אבקה ושחיקה, העובי בפועל של שכבת האבקה גבוה מהצפי התיאורטי. שנית, עמוד הקיטור גרם להתזות הסילון לאחור העיקרי. אדי המתכת מתנגשים בדופן האחורית ויוצרים ניתזים, אשר מרוססים לאורך הקיר הקדמי בניצב לאזור הקעור של הבריכה המותכת (כמתואר באיור 3). בשל האינטראקציה המורכבת בין קרן הלייזר להתזות, השפריצים הנפלטים יכולים להשפיע באופן רציני על איכות ההדפסה של שכבות האבקה הבאות. בנוסף, היווצרות חורי מפתח בבריכת ההיתוך פוגעת קשות באיכות החלקים המודפסים. הנקבוביות הפנימיות של היצירה המודפסת נגרמות בעיקר על ידי חורי נעילה לא יציבים.

מנגנון היווצרות פגמים בטכנולוגיית עיצוב קרן

טכנולוגיית עיצוב קרן יכולה להשיג שיפור ביצועים במספר ממדים בו-זמנית, השונה מהקורות גאוסיות המשפרות ביצועים בממד אחד במחיר של ויתור על ממדים אחרים. טכנולוגיית עיצוב קרן יכולה להתאים במדויק את חלוקת הטמפרטורה ומאפייני הזרימה של בריכת ההיתוך. על ידי שליטה בחלוקת אנרגיית הלייזר, מתקבלת בריכה מותכת יציבה יחסית עם שיפוע טמפרטורה קטן. חלוקת אנרגיית לייזר מתאימה מועילה לדיכוי פגמי נקבוביות וקרטוט, ולשיפור איכות הדפסת הלייזר על חלקי מתכת. זה יכול להשיג שיפורים שונים ביעילות הייצור וניצול האבקה. יחד עם זאת, טכנולוגיית עיצוב הקרן מספקת לנו אסטרטגיות עיבוד נוספות, המשחררת מאוד את החופש של עיצוב התהליך, שהוא התקדמות מהפכנית בטכנולוגיית ייצור תוסף לייזר.