Tehnologija 3D ispisa metala naširoko se koristi u zrakoplovstvu, proizvodnji automobila, biomedicini i drugim poljima zbog visoke stope iskoristivosti materijala i oblikovanja gotovo mreže bez plijesni. Međutim, iako metalni 3D tisak može realizirati oblikovanje gotovo beskonačno složenih dijelova, uobičajeni metalurški nedostaci kao što su pore i inkluzije još uvijek su ograničenje za široku primjenu ove tehnologije. Ovaj članak daje pregled uobičajenih nedostataka i mehanizama njihovog nastanka u procesu metalnog 3D ispisa. Nadamo se da će na toj osnovi osoblju za istraživanje i razvoj metalnog 3D ispisa pružiti ideje za smanjenje ili čak uklanjanje unutarnjih nedostataka.

Od uspona metala 3D tehnologija ispisa u 1990-ima, nakon više od 20 godina razvoja, naširoko je korišten u ključnim nacionalnim građevinskim područjima kao što je zrakoplovstvo. Osim toga, budući da ova tehnologija može ostvariti obrnuto modeliranje i prilagođenu proizvodnju, također je uvelike promovirana u medicinskoj stomatologiji.

Tehnologija laserskog oblikovanja važna je grana tehnologije 3D ispisa metala, koja uključuje tehnologiju laserskog selektivnog taljenja temeljenu na sloju praha i tehnologiju laserskog usmjerenog taloženja energije. Tehnologija laserskog selektivnog taljenja ravnomjerno rasporedi sloj praha debljine 20~100 μm na podlogu. Prah se ravnomjerno raspoređuje kroz spremnik za tekućinu ili lijevak pored radnog područja. Obično se koristi laserska zraka snage od 20W do 1kW i brzine skeniranja do 15m/s. Prah se selektivno topi na temelju definirane strategije skeniranja, supstrat se spušta, nanosi se još jedan sloj praha na postojeći sloj i proces taljenja se ponavlja; laserski usmjerena tehnologija taloženja energije temelji se na digitalnom modelu, s visokoenergetskom laserskom zrakom kao izvorom topline. Laserska zraka se zrači na metalnu podlogu kako bi se formirala rastaljena lonca. U isto vrijeme, metalni prah se unosi u rastaljeni bazen i topi. Prah se topi u bazenu rastaljene tvari. Kako se rastaljeni bazen pomiče, rastaljeni metal se brzo skrućuje i tako se opetovano, točku po točku i sloj po sloj, formiraju metalni dijelovi. U procesu oblikovanja gornje dvije tehnologije, inertni plin (kao što je argon ili dušik) dovodi se u procesnu komoru kako bi se spriječila reakcija rastaljenog metala s drugim plinovima, posebno kisikom. Trenutno se legura titana, legura aluminija, kobalt krom i prah od nehrđajućeg čelika obično koriste u procesima laserskog oblikovanja. U usporedbi s tehnologijom laserskog taloženja energije, lasersko selektivno taljenje ima nižu učinkovitost oblikovanja, ali završna obrada površine, tolerancija dimenzija i rezolucija značajki oblikovanih dijelova bolji su od onih dijelova izrađenih postupkom laserskog taloženja energije.

U usporedbi s postojećim tehnologijama oblikovanja metala, postupak laserskog oblikovanja metala sadrži različite nedostatke, poput metalurških nedostataka poput lošeg stapanja i pora, kao i nedostataka poput pukotina uzrokovanih zaostalim naprezanjem akumuliranim tijekom brzog procesa skrućivanja jedinstvenog za ovu tehnologiju. Budući da pukotine uzrokovane zamorom obično počinju uslijed koncentracija naprezanja kao što su pore i inkluzije, gore navedeni nedostaci imat će značajan utjecaj na vijek trajanja metalnih dijelova uslijed zamora. Osim toga, ti će nedostaci dodatno pospješiti lokalnu koroziju, čime će se potaknuti pucanje uslijed zamora. Učinkovitost na zamor jedno je od najvažnijih svojstava dijelova od legure metala. Dijelovi za proizvodnju metalnih aditiva u zrakoplovnoj i biomedicinskoj primjeni obično moraju raditi pod složenim dinamičkim uvjetima opterećenja, a inherentni nedostaci u procesu laserskog oblikovanja značajno će utjecati na performanse ovih komponenti zbog zamora. Na temelju toga, ovaj rad daje pregled tipičnog procesa metalnog laserskog oblikovanja i izvora stvaranja defekata, u nadi da će postaviti teoretsku osnovu za istraživanje u ovom smjeru.

Tablica 1 navodi glavne kategorije nedostataka uočene u laserski oblikovanim metalnim dijelovima. Zbog strategije proizvodnje sloj po sloj, lokalnog zagrijavanja i brzog hlađenja te potrošnje praškastog materijala, uobičajeni nedostaci u laserski oblikovanim metalima uglavnom se očituju kao pore, nerastopljeni prah itd. Gore navedeni nedostaci obično su izvor zamora kvar otkriven na površini loma uslijed zamora, kao što je prikazano na slici 1. Defekti prikazani na slici obično su uzrokovani nedovoljnom ili prekomjernom energijom tijekom procesa metalnog laserskog oblikovanja. Procesni parametri imaju veliki utjecaj na karakteristike defekata kao što su tip, mjesto, oblik, veličina, orijentacija i gustoća. Defekti se mogu svesti na najmanju moguću mjeru korištenjem visokokvalitetnog praha (veća sferičnost i manje šupljeg praha) i optimizacijom parametara procesa kao što su debljina sloja, unos energije, smjer taloženja, strategija skeniranja, razmak punjenja i brzina skeniranja. Također se mogu minimizirati naknadnom obradom proizvedenih dijelova (kao što je vruće izostatičko prešanje), ali se ne mogu potpuno eliminirati. Ostale metode kao što je predgrijavanje i održavanje supstrata na određenoj temperaturi tijekom procesa i održavanje odgovarajuće brzine hlađenja također mogu utjecati na sadržaj nedostataka u konačnom dijelu.

Kao što je prikazano na slici 1 (a), glavni izvori sfernih ili eliptičnih pora su metalni prah i zaostali zrak u zaštitnoj komori atmosfere tijekom procesa tiskanja dijela. Osim toga, energija koja se dovodi u bazen rastaline također treba biti optimizirana. Svako odstupanje od optimalne energije može rezultirati lošom fuzijom ili vrlo nestabilnim rastaljenim bazenom i isparavanjem. Prekomjerna energija dovest će do nasilne konvekcije i značajnog trzaja pare, što će rezultirati prskanjem mlaza i nestabilnošću. Gornji fenomeni dovest će do stvaranja pora u rastaljenoj lonci (vidi sliku 1 (a)). Budući da je površinska napetost tekućeg metala dominantna, oblik pora je obično sferičan ili eliptičan. Osim toga, sferne čestice praha pokazuju veću gustoću zbog poboljšane fluidnosti praha u usporedbi s oblikovanim česticama praha s istim procesnim parametrima. Sferni prašci također smanjuju prskanje, čime se u određenoj mjeri smanjuje broj nedostataka. U slučaju pretjerano visoke gustoće energije, kružni/sferni defekti nastaju na površini obratka zbog posmične sile površinske napetosti na površini tekućine. Izduženi uski defekti nastali zbog nedovoljne gustoće energije oko neotopljenih čestica okomito na smjer taloženja.

Sferični prah također smanjuje prskanje, čime se smanjuje broj nedostataka. Istraživači su koristili mješavine elementarnih prahova pri proučavanju laserskog selektivnog taljenja Al-Si i Ti-Ta legura. Relativno niska cijena i jednostavnost izrade elementarnih prahova čine ih zanimljivim izborom za lasersko oblikovanje i pokazuju da je selektivno lasersko taljenje izvedivo za te metale. In-situ pripremljene eutektičke Al-Si legure imaju nižu krajnju vlačnu čvrstoću i veću plastičnost u usporedbi s uzorcima pripremljenim od prethodno legiranih prahova. Osim toga, priprema gustih legura Al-12Si selektivnim laserskim taljenjem praškastih smjesa zahtijeva veću gustoću energije u usporedbi s prethodno legiranim praškastim sirovinama, što može biti povezano sa složenim reakcijskim procesima na licu mjesta. Tehnike laserskog oblikovanja kao što je selektivno lasersko taljenje također nude mogućnost obrade više materijala upotrebom mješavina praha ili dodavanjem posebnih separatora sredstvu za ponovno premazivanje, u kojem se dva ili više materijala mogu selektivno pohraniti i taložiti u svakom sloju. Demir i sur. proučavali su obradu više materijala selektivnim laserskim taljenjem čistog željeza i Al-12Si, Sing et al. na AlSi10Mg, i Chen et al. na međuslojevima 316L i CuSn10 za legure titana i nehrđajući čelik.

Smatra se da su čestice oksida jedan od razloga za stvaranje pora u nekim legurama (kao što je AlSi10Mg) tijekom laserskog oblikovanja. Ove čestice oksida mogu nastati uslijed oksidacije isparene legure zaostalim kisikom u atmosferi argona. Tijekom procesa primijećeno je više čestica oksida na laserski otopljenoj površini dijela. Rastaljena aluminijska legura ne može smočiti oksid i čestice oksida, čime se sprječava konsolidacija rastaljenog metala. Oksidacija laserski obrađenog metala dovodi do stvaranja međusklopa metal-keramika u bazenu za sinteriranje, što smanjuje sposobnost vlaženja tekućina-krutina. Nedostatak močivosti čvrstih čestica i temeljne matrice može uzrokovati formiranje kuglica u raznim metalima (kao što je prikazano na slici 1(c)). Budući da se proces laserskog oblikovanja izvodi na način točku po točku i sloj po sloj, učinak kuglica može dovesti do stvaranja diskontinuiranih tragova, lošeg spajanja linija na liniju, poroznosti, pa čak i raslojavanja. Ekstremno velike brzine skeniranja također mogu uzrokovati prskanje tekuće kuglice, što rezultira nepotpunim spajanjem i stvaranjem defekata. Kuglanje također može uzrokovati skrućivanje rastaljenog materijala kao niz kapljica umjesto kontinuiranog sloja, kao što je prikazano na slici 1(e).

Ove studije pokazuju izvedivost ove tehnologije, iako je rezultirajuća vlačna čvrstoća obično niža od one barem jednog materijala, a nedostatak fuzije često je vidljiv na sučelju. Općenito, zbog nedovoljne energije, postoji nedostatak veze između slojeva, što rezultira LOF defektima. LOF defekti su područja neobrađenog praha, kao što je prikazano na slici 1 (d), koja se uglavnom pojavljuju između slojeva ili laserskih tragova s ​​oštrim rubovima. Tipično, veliki LOF defekti sadrže neotopljene ili djelomično otopljene čestice. Pukotine također mogu nastati tijekom procesa. Kasperovich et al. optimizirao procesne parametre s ciljem minimiziranja nedostataka u laserskom selektivnom taljenju Ti-6Al-4V. U slučaju pretjerano visoke gustoće energije, na površini će se stvoriti kružni/sferni defekti zbog posmičnih sila koje na površinu tekućine djeluju površinskom napetosti. Izduženi uski defekti nastali zbog nedovoljne gustoće energije oko neotopljenih čestica okomito na smjer taloženja. Budući da se proces laserskog selektivnog taljenja provodi na način točku po točku i sloj po sloj, učinak sferoidizacije može dovesti do stvaranja diskontinuiranih tragova, lošeg povezivanja linija, poroznosti, pa čak i delaminacije.

2 Utjecaj parametara procesa laserskog oblikovanja na hrapavost površine

Unatoč nedavnom napretku u tehnologiji laserskog oblikovanja, hrapavost površine ostaje veliki problem. Inherentna ponovljivost procesa, kao i prisutnost polutaljenih čestica vezanih za površinu i nedostatke ispod površine i površinske veze, dovode do veće hrapavosti površine u usporedbi s konvencionalnim proizvodnim procesima. Na hrapavost površine značajno utječu vrsta procesa, veličina praha, geometrija dijela i orijentacija površine, kao i parametri procesa kao što su snaga lasera, brzina skeniranja, razmak ispune uzorka i debljina sloja.

El Sayed i sur. predložio je linearni model za objašnjenje odnosa između snage lasera i hrapavosti površine za dijelove Ti-6Al-4V obrađene selektivnim laserskim taljenjem. Studija je pokazala da je povećanje snage lasera s 35 W na 50 W rezultiralo značajnim smanjenjem aritmetičke srednje vrijednosti površinske hrapavosti Ra s 21 µm na 9 µm pri konstantnoj brzini skeniranja i razmaku popunjavanja uzorka od 250 mm/s odnosno 78 µm. Povećanje snage lasera može značajno smanjiti hrapavost gornje i bočne površine dijelova koji se selektivno tale laserom. Rezultati pokazuju da veća snaga lasera proizvodi veći povratni pritisak, što uzrokuje spljošćivanje bazena rastaljene tvari, stvarajući bolju kvalitetu gornje površine. Povećanje snage lasera i gustoće energije također poboljšava sposobnost vlaženja rastaljene posude i smanjuje mogućnost formiranja kuglica, što značajno poboljšava hrapavost bočne površine. Nasuprot tome, druga je studija pokazala da je poboljšanje Ra gornje površine uvijek popraćeno pogoršanjem Ra bočne površine, i obrnuto. Gore navedeni problemi mogu se objasniti različitim površinskim napetostima unutar rastaljenog bazena uzrokovanim toplinskim promjenama. Velike taline bazena i povećana područja preklapanja između rastaljenih bazena također pokazuju znatno poboljšanu hrapavost površine. Pri određenom razmaku punjenja, veličina bazena rastaljene tvari postupno se smanjuje s povećanjem brzine skeniranja. Smanjenje veličine bazena rastaljene vode dovodi do smanjenog preklapanja, čime se povećava hrapavost gornje površine. Osim toga, kada se rastaljena kupka skrutne, djelomično rastaljene čestice iz okolnog praha prianjaju na rubove sloja i tvore konačnu teksturu površine. Proizvodni proces sloj po sloj kod laserskog oblikovanja proizvodi visok stupanj ovisnosti između karakteristika površine i kuta nagiba svake površine. Na gornjim i donjim površinama koje su nagnute prema smjeru taloženja javlja se pojava koja se naziva efekt stepenica, što će povećati hrapavost.

Za uzorke proizvedene u dijagonalnom smjeru u odnosu na naneseni sloj, površina okrenuta prema dolje prema nanesenom sloju ima veću hrapavost od površine okrenute prema gore. Niža stopa rasipanja topline na strani koja se nadvija uzrokuje da se više čestica praha djelomično rastali i zalijepi za površinu. Izbočena površina uzorka u biti je izgrađena od praha, koji ima toplinsku vodljivost koja je približno red veličine niža od skrutnutog dijela. Ovaj fenomen posebno povećava hrapavost površina koje su nagnute prema dolje pod kutom manjim od 45° u odnosu na građevinsku platformu. Stoga topologija površine dijelova proizvedenih tehnologijom laserskog oblikovanja uvelike ovisi o orijentaciji dijela. Površine okrenute prema dolje s kutovima manjim od 45° obično se izbjegavaju preusmjeravanjem dijela koji se ispisuje. Ovo je također potrebno kako bi se izbjegla potreba za izgradnjom potpornih struktura, jer uklanjanje potpornja može uzrokovati stvaranje neravnina, što rezultira većom hrapavošću.

Gravitacija također može utjecati na bazen taline nepodržanog sloja, uzrokujući da ulegne u neotopljeni prah ispod, što rezultira time da je donja strana komponente ili donja opna grublja od površine okrenute prema gore ili gornje opne. Studija Gockela i sur. istraživali su odnos između procesnih parametara i hrapavosti površine, predstavljene aritmetičkom srednjom visinom Ra i maksimalnom visinom jame Rv. Koristili su različite metode poput strukturiranog svjetlosnog skeniranja i CT mjerenja. Korištenjem okruglih šipki od legure 718 L-PBF s konstantnom debljinom sloja od 40 µm, rezultati su pokazali da se i Ra i Rv smanjuju s povećanjem snage lasera između 80 i 120 (W). Rv se također smanjio s povećanjem brzine lasera u rasponu od 500~900 (mm/s), ali nije bilo očitog trenda za Ra. Hrapavost površine selektivnih laserski taljenih dijelova može se promijeniti različitim strategijama taljenja, pri čemu smjer taljenja mora biti isti ili suprotan prvom smjeru skeniranja. Yu i sur. proučavali su učinak strategije ponovnog taljenja na selektivne laserski rastaljene AlSi10Mg dijelove pomoću konfokalne mikroskopije, mikro-kompjutorizirane tomografije (CT) i optičke mikroskopije (OM).

Vrijednosti Ra gornje hrapavosti površine poboljšane su s 20.67 μm na 11.67 μm odnosno 10.87 μm za taljenje u istom odnosno suprotnom smjeru, ali bočna hrapavost pokazala je negativan trend. Pretaljivanje također općenito smanjuje poroznost, ovisno o smjeru i raspodjeli poroznosti. Han i Jiao također su pokazali pozitivan učinak kombiniranja laserskog selektivnog taljenja i lasersko površinsko taljenje (LSR) procese za proizvodnju prilagođenih aluminijskih komponenti u automobilskoj i zrakoplovnoj industriji. Metoda je poboljšala vrijednost laserskog selektivnog taljenja AlSi10Mg-de za stvaranje-Ra s 19.3 μm na 0.93 μm. Pročišćavanjem mikrostrukture mikrotvrdoća je povećana za 19.5%. Vrijednosti Ra gornje hrapavosti površine poboljšane su s 20.67 μm na 11.67 μm odnosno 10.87 μm za taljenje u istom odnosno suprotnom smjeru, ali bočna hrapavost pokazala je negativan trend. Pretaljivanje također obično smanjuje poroznost, ovisno o njegovoj orijentaciji i raspodjeli poroznosti.

Ukratko, sinergijski učinak procesnih parametara na hrapavost površine vrlo je važan, a utjecaj tih parametara uvelike varira ovisno o razini primjene. U konačnici, rezultati se uglavnom pripisuju interakciji energije praha i energiji koju prah apsorbira. S obzirom na promjene u svim procesnim parametrima, na konačnu hrapavost površine uvelike utječe interakcija nagiba površine, geometrijskih procesnih parametara kao što su veličina praha, debljina sloja i razmak punjenja te procesnih parametara kao što su snaga i brzina skeniranja. Zbog složene geometrije laserski oblikovanih dijelova, naknadna obrada površine može biti teška, stoga je vrlo važno postići prihvatljivu površinsku hrapavost mrežnih dijelova optimizacijom procesnih parametara i njihove interakcije.

3 Zaključak

Kao važna grana 3D tehnologija ispisa, tehnologija laserskog oblikovanja ima procesne parametre koji su odlučujući čimbenici za metaluršku kvalitetu i vanjsku hrapavost laserski oblikovanih dijelova. Ovaj članak sažima odnos između uobičajenih nedostataka i glavnih parametara procesa u procesu laserskog oblikovanja metala i sažima odnos između vanjske hrapavosti dijelova i parametara procesa, što može pružiti određena rješenja za osoblje povezano s industrijom u razjašnjavanju uzroka nedostataka. u dijelovima.