יישום טכנולוגיית עיצוב קרן בייצור תוסף לייזר למתכות

טכנולוגיית ייצור תוסף לייזר (AM), עם יתרונותיה של דיוק ייצור גבוה, גמישות חזקה ורמת אוטומציה גבוהה, נמצאת בשימוש נרחב בייצור רכיבים מרכזיים בתחומים כמו רכב, רפואה, תעופה וחלל וכו' (כגון חרירי דלק רקטי, סוגרי אנטנה לוויינית, שתלים אנושיים וכו'). טכנולוגיה זו יכולה לשפר מאוד את ביצועי השילוב של חלקים מודפסים באמצעות ייצור משולב של מבנה וביצועי חומר. כיום, טכנולוגיית ייצור תוסף לייזר מאמצת בדרך כלל קרן גאוסית ממוקדת עם פיזור אנרגיה מרכזי גבוה וקצה נמוך. עם זאת, לעתים קרובות היא מייצרת גרדיאנטים תרמיים גבוהים בהיתוך, מה שמוביל להיווצרות נקבוביות וגרגירים גסים לאחר מכן. טכנולוגיית עיצוב הקרן היא שיטה חדשה לפתרון בעיה זו, המשפרת את יעילות ואיכות ההדפסה על ידי התאמת פיזור אנרגיית קרן הלייזר.

בהשוואה לחיסור מסורתי ולייצור מקביל, לטכנולוגיית ייצור תוסף מתכת יש יתרונות כגון זמן מחזור ייצור קצר, דיוק עיבוד גבוה, שיעור ניצול חומרים גבוה וביצועים כוללים טובים של חלקים. לכן, טכנולוגיית ייצור תוסף מתכת נמצאת בשימוש נרחב בתעשיות כמו תעופה וחלל, נשק וציוד, אנרגיה גרעינית, ביו-פרמצבטיקה ומכוניות. בהתבסס על עקרון הערימה הדיסקרטית, ייצור תוסף מתכת משתמש במקור אנרגיה (כגון לייזר, קשת או קרן אלקטרונים) כדי להמיס את האבקה או החוט, ולאחר מכן לערום אותם שכבה אחר שכבה כדי לייצר את רכיב המטרה. לטכנולוגיה זו יתרונות משמעותיים בייצור קבוצות קטנות, מבנים מורכבים או חלקים מותאמים אישית. חומרים שלא ניתן או שקשה לעבד אותם באמצעות טכניקות מסורתיות מתאימים גם להכנה באמצעות שיטות ייצור תוסף. בשל היתרונות הנ"ל, טכנולוגיית ייצור תוסף משכה תשומת לב נרחבת מצד חוקרים הן בארץ והן בעולם. בעשורים האחרונים, טכנולוגיית ייצור תוסף עשתה התקדמות מהירה. בשל האוטומציה והגמישות של ציוד ייצור תוסף לייזר, כמו גם היתרונות המקיפים של צפיפות אנרגיית לייזר גבוהה ודיוק עיבוד גבוה, טכנולוגיית ייצור תוסף לייזר התפתחה במהירות מבין שלוש טכנולוגיות ייצור תוסף המתכת שהוזכרו לעיל.

טכנולוגיית ייצור תוסף מתכת בלייזר ניתנת לחלוקה נוספת ל-LPBF ו-DED. איור 1 מציג תרשים סכמטי טיפוסי של תהליכי LPBF ו-DED. תהליך LPBF, המכונה גם התכת לייזר סלקטיבית (SLM), יכול לייצר רכיבי מתכת מורכבים על ידי סריקת קרני לייזר בעלות אנרגיה גבוהה לאורך נתיב קבוע על פני מצע אבקה. לאחר מכן, האבקה נמסה ומתמצקת שכבה אחר שכבה. תהליך DED כולל בעיקר שני תהליכי הדפסה: התכת לייזר בהפקדה וייצור תוסף הזנת חוטי לייזר. שתי טכנולוגיות אלו יכולות לייצר ולתקן ישירות חלקי מתכת על ידי הזנה סינכרונית של אבקת מתכת או חוטי מתכת. בהשוואה ל-LPBF, ל-DED יש פרודוקטיביות גבוהה יותר ושטח ייצור גדול יותר. בנוסף, שיטה זו יכולה גם להכין בנוחות חומרים מרוכבים וחומרים מדורגים פונקציונלית. עם זאת, איכות פני השטח של החלקים המודפסים על ידי DED תמיד ירודה, ויש צורך בעיבוד נוסף כדי לשפר את הדיוק הממדי של הרכיב המטרה.

בתהליך ייצור לייזר תוסף הנוכחי, קרן גאוסיאנית ממוקדת היא בדרך כלל מקור האנרגיה. עם זאת, בשל פיזור האנרגיה הייחודי שלה (מרכז גבוה, קצה נמוך), היא עלולה לגרום לגרדיאנטים תרמיים גבוהים ולחוסר יציבות של בריכת ההיתוך. כתוצאה מכך, איכות העיצוב ירודה של החלקים המודפסים. בנוסף, אם טמפרטורת המרכז של בריכת ההיתוך גבוהה מדי, היא תגרום לאידוי של יסודות המתכת בעלי נקודת ההיתוך הנמוכה, מה שמחמיר עוד יותר את חוסר היציבות של תהליך LBPF. לכן, עם עלייה בנקבוביות, התכונות המכניות ואורך החיים של העייפות של החלקים המודפסים מצטמצמים משמעותית. פיזור האנרגיה הלא אחיד של קרני גאוסיאניות מוביל גם ליעילות ניצול אנרגיית לייזר נמוכה ולבזבוז אנרגיה מוגזם. על מנת להשיג איכות הדפסה טובה יותר, חוקרים החלו לחקור פיצוי על פגמים בקרני גאוסיאניות על ידי שינוי פרמטרי תהליך כגון עוצמת לייזר, מהירות סריקה, עובי שכבת האבקה ואסטרטגיית הסריקה, על מנת לשלוט באפשרות של קלט 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 מגיעה במחיר של ויתור על איכות ההדפסה. בשנים האחרונות, שינוי פיזור אנרגיית הלייזר באמצעות אסטרטגיות עיצוב אלומה יכול לשפר משמעותית את יעילות הייצור ואת איכות ההדפסה, דבר שעשוי להפוך לכיוון הפיתוח העתידי של טכנולוגיית ייצור תוסף בלייזר. טכנולוגיית עיצוב אלומה מתייחסת בדרך כלל להתאמת פיזור חזית הגל של קרן הקלט כדי להשיג את מאפייני פיזור העוצמה וההתפשטות הרצויים. יישום טכנולוגיית עיצוב אלומה בטכנולוגיית ייצור תוסף מתכות מוצג באיור 2.

יישום טכנולוגיית עיצוב קרן בייצור תוסף לייזר

החסרונות של הדפסת קרן גאוסית מסורתית

בטכנולוגיית ייצור תוסף בלייזר מתכת, לפיזור האנרגיה של קרן הלייזר יש השפעה משמעותית על איכות החלקים המודפסים. למרות שקרניים גאוסיות נמצאות בשימוש נרחב בציוד ייצור תוסף בלייזר מתכת, הן סובלות מחסרונות חמורים כגון איכות הדפסה לא יציבה, ניצול אנרגיה נמוך וחלונות תהליך צרים בתהליך הייצור התוסף. ביניהם, תהליך ההיתוך של האבקה והדינמיקה של בריכת ההיתוך במהלך תהליך התוסף בלייזר מתכת קשורים קשר הדוק לעובי שכבת האבקה. בשל נוכחותם של אזורי התזה ושחיקה של האבקה, העובי בפועל של שכבת האבקה גבוה מהציפייה התיאורטית. שנית, עמודת הקיטור גרמה להתזות הסילון האחורי העיקריות. אדי המתכת מתנגשים בדופן האחורית ויוצרים התזות, המרוססות לאורך הדופן הקדמית בניצב לאזור הקעור של בריכת ההיתוך (כפי שמוצג באיור 3). בשל האינטראקציה המורכבת בין קרן הלייזר להתזות, ההתזות הנפלטות יכולות לפגוע קשות באיכות ההדפסה של שכבות האבקה הבאות. בנוסף, היווצרות חורי מנעול בבריכת ההיתוך משפיעה קשות גם היא על איכות החלקים המודפסים. הנקבוביות הפנימיות של היצירה המודפסת נגרמות בעיקר מחורי נעילה לא יציבים.

מנגנון היווצרות פגמים בטכנולוגיית עיצוב הקורה

טכנולוגיית עיצוב אלומות יכולה להשיג שיפור ביצועים במספר ממדים בו זמנית, בניגוד לקרניים גאוסיות המשפרות ביצועים במימד אחד במחיר של ויתור על ממדים אחרים. טכנולוגיית עיצוב אלומות יכולה להתאים במדויק את פיזור הטמפרטורה ואת מאפייני הזרימה של בריכת ההיתוך. על ידי שליטה על פיזור אנרגיית הלייזר, מתקבל בריכת מותך יציבה יחסית עם גרדיאנט טמפרטורה קטן. פיזור אנרגיית לייזר מתאים מועיל לדיכוי פגמי נקבוביות וריסוס, ולשיפור איכות הדפסת הלייזר על חלקי מתכת. היא יכולה להשיג שיפורים שונים ביעילות הייצור ובניצול האבקה. במקביל, טכנולוגיית עיצוב אלומות מספקת לנו אסטרטגיות עיבוד רבות יותר, ומשחררת מאוד את חופש תכנון התהליך, שהיא התקדמות מהפכנית בטכנולוגיית ייצור תוסף לייזר.