تطبيق تكنولوجيا تشكيل الشعاع في تصنيع الإضافات المعدنية بالليزر

تُستخدم تقنية التصنيع الإضافي بالليزر (AM)، مع مزاياها المتمثلة في دقة التصنيع العالية والمرونة القوية والدرجة العالية من الأتمتة، على نطاق واسع في تصنيع المكونات الرئيسية في مجالات مثل السيارات والطب والفضاء وما إلى ذلك (مثل الصواريخ فوهات الوقود، وأقواس هوائيات الأقمار الصناعية، والمزروعات البشرية، وما إلى ذلك). يمكن لهذه التقنية أن تحسن بشكل كبير الأداء المشترك للأجزاء المطبوعة من خلال التصنيع المتكامل لهيكل المواد وأدائها. في الوقت الحاضر، تعتمد تكنولوجيا تصنيع المواد المضافة بالليزر بشكل عام شعاع غاوسي مركّز مع مركز مرتفع وتوزيع طاقة منخفض الحافة. ومع ذلك، فإنه غالبًا ما يولد تدرجات حرارية عالية في الذوبان، مما يؤدي إلى تكوين المسام والحبوب الخشنة لاحقًا. تعد تقنية تشكيل الشعاع طريقة جديدة لحل هذه المشكلة، مما يؤدي إلى تحسين كفاءة الطباعة وجودتها من خلال ضبط توزيع طاقة شعاع الليزر.

بالمقارنة مع الطرح التقليدي والتصنيع المعادل، تتمتع تكنولوجيا تصنيع المواد المضافة المعدنية بمزايا مثل وقت دورة التصنيع القصير، ودقة المعالجة العالية، ومعدل استخدام المواد العالي، والأداء العام الجيد للأجزاء. لذلك، يتم استخدام تكنولوجيا تصنيع الإضافات المعدنية على نطاق واسع في صناعات مثل الطيران والأسلحة والمعدات والطاقة النووية والمستحضرات الصيدلانية الحيوية والسيارات. استنادًا إلى مبدأ التراص المنفصل، يستخدم تصنيع الإضافات المعدنية مصدرًا للطاقة (مثل الليزر أو القوس أو شعاع الإلكترون) لإذابة المسحوق أو الأسلاك، ثم رصها طبقة تلو الأخرى لتصنيع المكون المستهدف. تتمتع هذه التقنية بمزايا كبيرة في إنتاج دفعات صغيرة أو هياكل معقدة أو أجزاء مخصصة. المواد التي لا يمكن معالجتها أو التي يصعب معالجتها باستخدام التقنيات التقليدية تكون مناسبة أيضًا للتحضير باستخدام طرق التصنيع المضافة. ونظرًا للمزايا المذكورة أعلاه، فقد اجتذبت تكنولوجيا التصنيع المضافة اهتمامًا واسع النطاق من العلماء محليًا ودوليًا. في العقود القليلة الماضية، حققت تكنولوجيا التصنيع المضافة تقدما سريعا. نظرًا لأتمتة ومرونة معدات تصنيع المواد المضافة بالليزر، فضلاً عن المزايا الشاملة لكثافة طاقة الليزر العالية ودقة المعالجة العالية، فقد طورت تكنولوجيا تصنيع المواد المضافة بالليزر الأسرع بين تقنيات تصنيع المواد المضافة المعدنية الثلاثة المذكورة أعلاه.

يمكن تقسيم تكنولوجيا تصنيع الإضافات المعدنية بالليزر إلى LPBF وDED. يوضح الشكل 1 رسمًا تخطيطيًا نموذجيًا لعمليات LPBF وDED. يمكن لعملية LPBF، المعروفة أيضًا باسم ذوبان الليزر الانتقائي (SLM)، تصنيع مكونات معدنية معقدة عن طريق مسح أشعة الليزر عالية الطاقة على طول مسار ثابت على سطح طبقة المسحوق. ثم يذوب المسحوق ويتصلب طبقة بعد طبقة. تشتمل عملية DED بشكل أساسي على عمليتين للطباعة: ترسيب ذوبان الليزر وتصنيع المواد المضافة لتغذية الأسلاك بالليزر. يمكن لكل من هذه التقنيات تصنيع وإصلاح الأجزاء المعدنية مباشرة عن طريق تغذية المسحوق المعدني أو الأسلاك بشكل متزامن. بالمقارنة مع LPBF، تتمتع DED بإنتاجية أعلى ومساحة تصنيع أكبر. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لهذه الطريقة أيضًا إعداد المواد المركبة والمواد المتدرجة وظيفيًا بشكل ملائم. ومع ذلك، فإن جودة سطح الأجزاء المطبوعة بواسطة دائرة التنمية الاقتصادية تكون دائمًا رديئة، ويلزم إجراء معالجة لاحقة لتحسين دقة الأبعاد للمكون المستهدف.

في عملية تصنيع المواد المضافة بالليزر الحالية، عادة ما يكون شعاع غاوس المركز هو مصدر الطاقة. ومع ذلك، نظرًا لتوزيع الطاقة الفريد (المركز المرتفع، الحافة المنخفضة)، فمن المحتمل أن يسبب تدرجات حرارية عالية وعدم استقرار في حوض الذوبان. مما يؤدي إلى ضعف جودة تشكيل الأجزاء المطبوعة. بالإضافة إلى ذلك، إذا كانت درجة الحرارة المركزية للمسبح المنصهر مرتفعة جدًا، فسوف تتسبب في تبخر العناصر المعدنية ذات نقطة الانصهار المنخفضة، مما يزيد من تفاقم عدم استقرار عملية LBPF. ولذلك، مع زيادة المسامية، يتم تقليل الخواص الميكانيكية وعمر الكلال للأجزاء المطبوعة بشكل كبير. يؤدي التوزيع غير المتكافئ للطاقة للحزم الغوسية أيضًا إلى انخفاض كفاءة استخدام طاقة الليزر وإهدار الطاقة المفرط. من أجل تحقيق جودة طباعة أفضل، بدأ العلماء في استكشاف التعويض عن عيوب الحزم الغوسية عن طريق تعديل معلمات العملية مثل طاقة الليزر، وسرعة المسح، وسمك طبقة المسحوق، واستراتيجية المسح، من أجل التحكم في إمكانية إدخال الطاقة. ونظرًا لنافذة المعالجة الضيقة جدًا لهذه الطريقة، فإن القيود المادية الثابتة تحد من إمكانية إجراء المزيد من التحسين. على سبيل المثال، يمكن أن تؤدي زيادة طاقة الليزر وسرعة المسح الضوئي إلى تحقيق كفاءة تصنيع عالية، ولكنها غالبًا ما تأتي على حساب التضحية بجودة الطباعة. في السنوات الأخيرة، يمكن أن يؤدي تغيير توزيع طاقة الليزر من خلال استراتيجيات تشكيل الشعاع إلى تحسين كفاءة التصنيع وجودة الطباعة بشكل كبير، وهو ما قد يصبح اتجاه التطوير المستقبلي لتكنولوجيا تصنيع المواد المضافة بالليزر. تشير تقنية تشكيل الشعاع عمومًا إلى ضبط توزيع واجهة الموجة لحزمة الإدخال للحصول على توزيع الكثافة وخصائص الانتشار المطلوبة. يظهر تطبيق تكنولوجيا تشكيل الشعاع في تكنولوجيا تصنيع الإضافات المعدنية في الشكل 2.

تطبيق تكنولوجيا تشكيل الشعاع في تصنيع المواد المضافة بالليزر

عيوب الطباعة التقليدية ذات الشعاع الغوسي

في تكنولوجيا تصنيع الإضافات المعدنية بالليزر، فإن توزيع الطاقة لشعاع الليزر له تأثير كبير على جودة الأجزاء المطبوعة. على الرغم من استخدام الحزم الغوسية على نطاق واسع في معدات تصنيع المواد المضافة بالليزر المعدنية، إلا أنها تعاني من عيوب خطيرة مثل جودة الطباعة غير المستقرة، وانخفاض استخدام الطاقة، ونوافذ المعالجة الضيقة في عملية التصنيع المضافة. من بينها، ترتبط عملية ذوبان المسحوق وديناميكيات البركة المنصهرة أثناء عملية إضافة الليزر المعدني ارتباطًا وثيقًا بسمك طبقة المسحوق. ونظرًا لوجود مناطق تناثر المسحوق والتآكل، فإن السُمك الفعلي لطبقة المسحوق أعلى من التوقعات النظرية. ثانيًا، تسبب عمود البخار في حدوث رذاذ نفاث خلفي رئيسي. يصطدم البخار المعدني بالجدار الخلفي ليشكل رذاذًا، والذي يتم رشه على طول الجدار الأمامي بشكل عمودي على المنطقة المقعرة من البركة المنصهرة (كما هو موضح في الشكل 3). نظرًا للتفاعل المعقد بين شعاع الليزر والبقع، يمكن أن تؤثر البقع المقذوفة بشكل خطير على جودة طباعة طبقات المسحوق اللاحقة. بالإضافة إلى ذلك، فإن تكوين ثقوب المفاتيح في حوض الذوبان يؤثر أيضًا بشكل خطير على جودة الأجزاء المطبوعة. المسام الداخلية للقطعة المطبوعة ناتجة بشكل رئيسي عن فتحات القفل غير المستقرة.

آلية تشكيل العيوب في تكنولوجيا تشكيل الشعاع

يمكن لتقنية تشكيل الشعاع أن تحقق تحسين الأداء في أبعاد متعددة في وقت واحد، وهو ما يختلف عن الحزم الغوسية التي تعمل على تحسين الأداء في بعد واحد على حساب التضحية بالأبعاد الأخرى. يمكن لتقنية تشكيل الشعاع ضبط توزيع درجة الحرارة وخصائص التدفق لحوض الذوبان بدقة. ومن خلال التحكم في توزيع طاقة الليزر، يتم الحصول على تجمع منصهر مستقر نسبيًا مع تدرج صغير في درجة الحرارة. يعد التوزيع المناسب لطاقة الليزر مفيدًا لقمع المسامية وعيوب التناثر، وتحسين جودة الطباعة بالليزر على الأجزاء المعدنية. يمكنها تحقيق تحسينات مختلفة في كفاءة الإنتاج واستخدام المسحوق. وفي الوقت نفسه، توفر لنا تقنية تشكيل الشعاع المزيد من استراتيجيات المعالجة، مما يحرر بشكل كبير حرية تصميم العملية، وهو تقدم ثوري في تكنولوجيا تصنيع المواد المضافة بالليزر.