การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการสร้างลำแสงในการผลิตสารเติมแต่งโลหะด้วยเลเซอร์

เทคโนโลยีการผลิตด้วยเลเซอร์แบบเติมเนื้อวัสดุ (AM) ซึ่งมีข้อได้เปรียบด้านความแม่นยำในการผลิตสูง ความยืดหยุ่นที่แข็งแกร่ง และระบบอัตโนมัติระดับสูง ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตส่วนประกอบสำคัญในด้านต่างๆ เช่น ยานยนต์ การแพทย์ การบินและอวกาศ ฯลฯ (เช่น จรวด หัวฉีดน้ำมันเชื้อเพลิง, ขายึดเสาอากาศรับสัญญาณดาวเทียม, การปลูกถ่ายของมนุษย์ ฯลฯ) เทคโนโลยีนี้สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการผสมผสานของชิ้นส่วนที่พิมพ์ได้อย่างมากผ่านการผลิตโครงสร้างวัสดุและประสิทธิภาพแบบครบวงจร ในปัจจุบัน เทคโนโลยีการผลิตแบบเติมเนื้อด้วยเลเซอร์โดยทั่วไปจะใช้ลำแสงแบบเกาส์เซียนแบบโฟกัสซึ่งมีการกระจายพลังงานที่ศูนย์กลางสูงและขอบต่ำ อย่างไรก็ตาม มันมักจะทำให้เกิดการไล่ระดับความร้อนสูงในการหลอมเหลว ซึ่งนำไปสู่การก่อตัวของรูพรุนและเมล็ดหยาบตามมา เทคโนโลยีการสร้างลำแสงเป็นวิธีการใหม่ในการแก้ปัญหานี้ ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพและคุณภาพการพิมพ์โดยการปรับการกระจายพลังงานของลำแสงเลเซอร์

เมื่อเปรียบเทียบกับการลบแบบดั้งเดิมและการผลิตที่เทียบเท่า เทคโนโลยีการผลิตสารเติมแต่งโลหะมีข้อดี เช่น รอบเวลาการผลิตสั้น ความแม่นยำในการประมวลผลสูง อัตราการใช้วัสดุสูง และประสิทธิภาพโดยรวมของชิ้นส่วนที่ดี ดังนั้น เทคโนโลยีการผลิตสารเติมแต่งโลหะจึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น การบินและอวกาศ อาวุธและอุปกรณ์ พลังงานนิวเคลียร์ ชีวเภสัชภัณฑ์ และรถยนต์ ตามหลักการของการเรียงซ้อนแบบไม่ต่อเนื่อง การผลิตสารเติมแต่งโลหะจะใช้แหล่งพลังงาน (เช่น เลเซอร์ อาร์ค หรือลำแสงอิเล็กตรอน) เพื่อละลายผงหรือลวด จากนั้นจึงซ้อนกันทีละชั้นเพื่อผลิตส่วนประกอบเป้าหมาย เทคโนโลยีนี้มีข้อได้เปรียบที่สำคัญในการผลิตเป็นชุดขนาดเล็ก โครงสร้างที่ซับซ้อน หรือชิ้นส่วนเฉพาะบุคคล วัสดุที่ไม่สามารถแปรรูปโดยใช้เทคนิคดั้งเดิมไม่ได้หรือยากก็เหมาะสำหรับการเตรียมโดยใช้วิธีการผลิตแบบเติมเนื้อด้วย จากข้อดีข้างต้น เทคโนโลยีการผลิตแบบเติมเนื้อจึงได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางจากนักวิชาการทั้งในประเทศและต่างประเทศ ในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมา เทคโนโลยีการผลิตแบบเติมเนื้อมีความก้าวหน้าอย่างรวดเร็ว เนื่องจากระบบอัตโนมัติและความยืดหยุ่นของอุปกรณ์การผลิตสารเติมแต่งด้วยเลเซอร์ ตลอดจนข้อได้เปรียบที่ครอบคลุมของความหนาแน่นของพลังงานเลเซอร์สูงและความแม่นยำในการประมวลผลสูง เทคโนโลยีการผลิตสารเติมแต่งด้วยเลเซอร์จึงได้พัฒนาเร็วที่สุดในบรรดาเทคโนโลยีการผลิตสารเติมแต่งโลหะทั้งสามที่กล่าวถึงข้างต้น

เทคโนโลยีการผลิตสารเติมแต่งโลหะด้วยเลเซอร์สามารถแบ่งเพิ่มเติมได้เป็น LPBF และ DED รูปที่ 1 แสดงแผนผังทั่วไปของกระบวนการ LPBF และ DED กระบวนการ LPBF หรือที่เรียกว่า Selective Laser Melting (SLM) สามารถผลิตส่วนประกอบโลหะที่ซับซ้อนได้โดยการสแกนลำแสงเลเซอร์พลังงานสูงไปตามเส้นทางที่คงที่บนพื้นผิวของแผ่นผง จากนั้นผงจะละลายและแข็งตัวทีละชั้น กระบวนการ DED ส่วนใหญ่ประกอบด้วยกระบวนการพิมพ์ 2 กระบวนการ ได้แก่ การสะสมการหลอมด้วยเลเซอร์ และการผลิตสารเติมแต่งการป้อนลวดด้วยเลเซอร์ เทคโนโลยีทั้งสองนี้สามารถผลิตและซ่อมแซมชิ้นส่วนโลหะได้โดยตรงโดยการป้อนผงโลหะหรือลวดพร้อมกัน เมื่อเปรียบเทียบกับ LPBF DED มีผลผลิตที่สูงกว่าและพื้นที่การผลิตที่ใหญ่กว่า นอกจากนี้ วิธีการนี้ยังสามารถเตรียมวัสดุคอมโพสิตและวัสดุเกรดตามการใช้งานได้อย่างสะดวกอีกด้วย อย่างไรก็ตาม คุณภาพพื้นผิวของชิ้นส่วนที่พิมพ์โดย DED มักจะไม่ดีเสมอไป และจำเป็นต้องมีการประมวลผลในภายหลังเพื่อปรับปรุงความแม่นยำด้านมิติของส่วนประกอบเป้าหมาย

ในกระบวนการผลิตสารเติมแต่งด้วยเลเซอร์ในปัจจุบัน ลำแสงเกาส์เซียนแบบโฟกัสมักเป็นแหล่งพลังงาน อย่างไรก็ตาม เนื่องจากการกระจายพลังงานที่เป็นเอกลักษณ์ (ศูนย์กลางสูง ขอบต่ำ) จึงมีแนวโน้มที่จะทำให้เกิดการไล่ระดับความร้อนสูงและความไม่เสถียรของแหล่งหลอมละลาย ส่งผลให้คุณภาพการขึ้นรูปชิ้นงานพิมพ์ไม่ดี นอกจากนี้ หากอุณหภูมิศูนย์กลางของบ่อหลอมเหลวสูงเกินไป ก็จะทำให้องค์ประกอบโลหะที่มีจุดหลอมเหลวต่ำระเหยกลายเป็นไอ ซึ่งจะทำให้ความไม่เสถียรของกระบวนการ LBPF รุนแรงขึ้นอีก ดังนั้นด้วยความพรุนที่เพิ่มขึ้น คุณสมบัติทางกลและอายุการใช้งานความล้าของชิ้นส่วนที่พิมพ์จึงลดลงอย่างมาก การกระจายพลังงานที่ไม่สม่ำเสมอของลำแสงเกาส์เซียนยังส่งผลให้ประสิทธิภาพการใช้พลังงานเลเซอร์ต่ำและการสูญเสียพลังงานมากเกินไป เพื่อให้บรรลุคุณภาพการพิมพ์ที่ดีขึ้น นักวิชาการได้เริ่มสำรวจการชดเชยข้อบกพร่องของคานเกาส์เซียนโดยการปรับเปลี่ยนพารามิเตอร์กระบวนการ เช่น กำลังเลเซอร์ ความเร็วในการสแกน ความหนาของชั้นผง และกลยุทธ์การสแกน เพื่อควบคุมความเป็นไปได้ของการป้อนพลังงาน เนื่องจากหน้าต่างการประมวลผลที่แคบมากของวิธีนี้ ข้อจำกัดทางกายภาพที่ตายตัวจึงจำกัดความเป็นไปได้ในการปรับให้เหมาะสมต่อไป ตัวอย่างเช่น การเพิ่มกำลังเลเซอร์และความเร็วในการสแกนสามารถบรรลุประสิทธิภาพการผลิตที่สูง แต่มักจะมาพร้อมกับต้นทุนของการเสียสละคุณภาพการพิมพ์ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การเปลี่ยนแปลงการกระจายพลังงานเลเซอร์ผ่านกลยุทธ์การสร้างลำแสงสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตและคุณภาพการพิมพ์ได้อย่างมาก ซึ่งอาจกลายเป็นทิศทางการพัฒนาในอนาคตของเทคโนโลยีการผลิตแบบเติมเนื้อด้วยเลเซอร์ เทคโนโลยีการสร้างลำแสงโดยทั่วไปหมายถึงการปรับการกระจายหน้าคลื่นของลำแสงอินพุตเพื่อให้ได้ลักษณะการกระจายความเข้มและการแพร่กระจายที่ต้องการ การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการสร้างลำแสงในเทคโนโลยีการผลิตสารเติมแต่งโลหะแสดงไว้ในรูปที่ 2

การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการสร้างลำแสงในการผลิตสารเติมแต่งด้วยเลเซอร์

ข้อบกพร่องของการพิมพ์ลำแสงแบบเกาส์เซียนแบบดั้งเดิม

ในเทคโนโลยีการผลิตสารเติมแต่งด้วยเลเซอร์โลหะ การกระจายพลังงานของลำแสงเลเซอร์มีผลกระทบอย่างมากต่อคุณภาพของชิ้นส่วนที่พิมพ์ แม้ว่าลำแสงแบบเกาส์เซียนจะถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์การผลิตแบบเติมเนื้อด้วยเลเซอร์สำหรับโลหะ แต่ก็ประสบปัญหาร้ายแรง เช่น คุณภาพการพิมพ์ที่ไม่เสถียร การใช้พลังงานต่ำ และกรอบเวลากระบวนการที่แคบในกระบวนการผลิตแบบเติมเนื้อ กระบวนการหลอมเหลวของผงและการเปลี่ยนแปลงของพูลที่หลอมละลายในระหว่างกระบวนการเติมโลหะด้วยเลเซอร์มีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับความหนาของชั้นผง เนื่องจากมีผงกระเด็นและโซนการกัดเซาะ ความหนาที่แท้จริงของชั้นผงจึงสูงกว่าที่คาดไว้ทางทฤษฎี ประการที่สอง คอลัมน์ไอน้ำทำให้เกิดการกระเด็นของไอพ่นหลักไปด้านหลัง ไอโลหะชนกับผนังด้านหลังจนกระเด็น ซึ่งจะถูกพ่นไปตามผนังด้านหน้าในแนวตั้งฉากกับพื้นที่เว้าของสระหลอมเหลว (ดังแสดงในรูปที่ 3) เนื่องจากปฏิสัมพันธ์ที่ซับซ้อนระหว่างลำแสงเลเซอร์และการกระเด็น การกระเด็นที่พุ่งออกมาอาจส่งผลกระทบร้ายแรงต่อคุณภาพการพิมพ์ของชั้นผงที่ตามมา นอกจากนี้ การก่อตัวของรูกุญแจในหลอมเหลวยังส่งผลกระทบอย่างมากต่อคุณภาพของชิ้นส่วนที่พิมพ์ รูพรุนภายในของชิ้นงานพิมพ์ส่วนใหญ่เกิดจากรูล็อคที่ไม่มั่นคง

กลไกการก่อตัวของข้อบกพร่องในเทคโนโลยีการสร้างลำแสง

เทคโนโลยีการสร้างลำแสงสามารถบรรลุการปรับปรุงประสิทธิภาพในหลายมิติพร้อมกัน ซึ่งแตกต่างจากคานแบบเกาส์เซียนที่ปรับปรุงประสิทธิภาพในมิติเดียวโดยมีต้นทุนในการเสียสละมิติอื่น ๆ เทคโนโลยีการสร้างลำแสงสามารถปรับการกระจายอุณหภูมิและลักษณะการไหลของบ่อหลอมได้อย่างแม่นยำ ด้วยการควบคุมการกระจายพลังงานเลเซอร์ ทำให้ได้พูลหลอมเหลวที่ค่อนข้างเสถียรและมีการไล่ระดับอุณหภูมิเล็กน้อย การกระจายพลังงานเลเซอร์ที่เหมาะสมมีประโยชน์ในการยับยั้งความพรุนและข้อบกพร่องของการสปัตเตอร์ และปรับปรุงคุณภาพของการพิมพ์ด้วยเลเซอร์บนชิ้นส่วนโลหะ สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตและการใช้ผงได้หลายอย่าง ในขณะเดียวกัน เทคโนโลยีการสร้างลำแสงทำให้เรามีกลยุทธ์ในการประมวลผลมากขึ้น ซึ่งช่วยปลดปล่อยอิสระในการออกแบบกระบวนการอย่างมาก ซึ่งเป็นความก้าวหน้าในการปฏิวัติเทคโนโลยีการผลิตแบบเติมเนื้อด้วยเลเซอร์