Pulvermatende metall 3D-printing, referert til som LDM, er en prosess som bruker en pulvermater til å transportere metallpulver til et lasersmeltebasseng, og bruker laserstrålingen til å smelte og kondensere pulveret på nytt, og dermed produsere metalldeler direkte. Den har fordelene med stor produktstøpestørrelse, rask prosessering og evnen til å oppnå kompleks komponentgradientutskrift. Samtidig har den også ulemper som vanskelig delkvalitetskontroll og grovt delutseende. Denne artikkelen oppsummerer den tekniske statusen til pulvermatende metall 3D-utskrift og analyserer dens videre utviklingsretning.

1 Sammenligning av flere vanlige 3D-utskriftsprosesser for metall

For 3D-printing av metall er de vanligste prosessmetodene buetrådprinting (forkortet til WAAM), pulvermatingstrykk (forkortet LDM) og pulverleggingstrykk (SLMEn kort sammenligning av deres egenskaper og passende bruksområder er vist i tabell 1.

Som det fremgår av tabellen ovenfor, har pulvermatingstrykk unike fordeler: det kan blande flere materialer for å fullføre gradienttrykk, samt store deler med vektreduksjonskrav og interne strømningskanalstrukturer. Dette gjør det uerstattelig for tiden.

2 Tekniske problemer med pulvermatende 3D-printing og mottiltakene deres

2.1 Analyse av tekniske problemer ved pulvermatende 3D-printing

I pulvermatende 3D-printing beveger laserpunktet og pulvermatingsdysen seg synkront under prosessen under drift av bevegelsesmekanismen. Der punktet beveger seg, dannes et smeltebad, og samtidig faller pulveret ned i smeltebadet og danner et additivt trykt arbeidsstykke. I printprosessen, etter at prosessparametrene er bestemt, er det fortsatt flere problemer som krever spesiell oppmerksomhet:

Trykking utføres ofte på et substrat; og substratet er i utgangspunktet kaldt. Etter en periode med trykking har substratet og det nytrykte arbeidsstykket en viss temperatur. Et kaldt substrat vil uunngåelig absorbere en stor mengde varme raskt, noe som resulterer i en lav smeltebadtemperatur under den første bearbeidingen. Dette er hovedfaktoren som forårsaker kvalitetsproblemer nær substratet.

Bevegelsesmekanismen er jevn i lineær bevegelse, men ikke jevn i bøyninger og hjørner. Over tid vil det dannes en trykkebule i bøyninger og hjørner, og tilsvarende vil det dannes en sammenfoldet midje ved den rette trykkedelen.

Høydeforskjellen på arbeidsstykkets overflate vil føre til at pulvermatingsdysen er nærmere eller lenger unna arbeidsstykkets overflate. Lysrefleksjonen fra smeltebadet vil føre til at pulveret smelter og kondenserer på nytt ved pulvermatingsdysen for å danne agglomerater. Når agglomeratene faller ned i smeltebadet, vil de forårsake individuelle utstikkere på arbeidsstykkets overflate, hvor porer lett dannes. Tilstedeværelsen av agglomerater ved dysen over lengre tid vil lett føre til at dysen blokkeres, noe som fører til at pulvermatingsparametrene endres passivt.

Fremspringene og fordypningene på arbeidsstykkets overflate fører til at laserens fokuseringstilstand på arbeidsstykkets overflate endres, noe som vil påvirke laserens effekt på arbeidsstykkets overflate, og deretter føre til at laserens effekttetthet endres under arbeidsstykkets behandling.

Den passive endringen av prosessparametere på grunn av arbeidsstykkets utilfredsstillende overflatetilstand er en viktig faktor i sprekker i arbeidsstykket.

Derfor, under forutsetning av rimelige prosessparameterinnstillinger, er den utilfredsstillende pulvermatingsprosessen og ujevn punktbevegelseshastighet under 3D-printing de viktigste essensielle faktorene som forårsaker defekter i arbeidsstykket. Hastigheten på lyspunktbevegelsen er begrenset av de dynamiske responsegenskapene til den mekaniske strukturen, og det er umulig å oppnå en helt ideell tilstand. Dannelse av agglomerater på pulvermatingsdysen, avgivelse av agglomerater og tilstopping av pulvermatingsdysen er også tilfeldige fenomener uten spesifikke regler. Begge disse punktene er vanskelige å håndtere direkte.

2.2 Mottiltak for vanskelighetene med pulvermating av 3D-printing

I dagens tekniske applikasjoner brukes ofte doble kolorimetriske temperatursensorer eller kameraer for deteksjon av smeltebad for å overvåke temperaturen eller morfologien til smeltebadet og utføre lukket sløyfekontroll av lasereffekten, noe som er gunstig for å oppveie virkningen av substratets kalde tilstand på smeltebadet.

Uten å ta hensyn til substrattemperaturen, kan det sees fra analysen av 2.1 at stabiliteten til lyspunktbevegelseshastigheten og den passive endringen i pulvertilførselstilstanden vil påvirke smeltebadet, og dermed forårsake kvalitetsfeil. Siden de passive endringene i lyspunktbevegelseshastigheten og pulvertilførselstilstandsparametrene er vanskelige å håndtere direkte i ingeniørpraksis, kan smeltebadet også justeres i en gunstig retning ved å overvåke smeltebadets tilstand og kontrollere andre prosessparametere deretter.

Lysflekken beveger seg saktere i hjørnet, noe som vil føre til at laseren virker på arbeidsstykkets overflate i lengre tid, slik at temperaturen i smeltebadet vil øke tilsvarende. For rette seksjoner derimot, bør temperaturen i smeltebadet være litt lavere enn i hjørnet.

Når arbeidsstykkets overflate har kollapset, når lysflekken passerer gjennom det kollapsede området, spres laserenergien i smeltebadet fordi laserens konvergenspunkt etter å ha passert gjennom fokuseringslinsen er over arbeidsstykkets overflate, og temperaturen i smeltebadet vil også være lav.

Basert på analysen ovenfor, med deteksjon av smeltebadtemperaturen som et eksempel, kan en ny kontrollstrategi utledes – ved å overvåke temperaturen i smeltebadet, når de første lagene av substratet er kalde, brukes smeltebadtemperaturovervåkingen som input for å utføre lukket sløyfekontroll av lasereffekten for å oppveie påvirkningen av substratets kalde tilstand på smeltebadet; og etter at substrattemperaturen går inn i varm tilstand, når smeltebadtemperaturen detekteres å være for lav, betyr det at lysflekken passerer gjennom det kollapsede området. I henhold til avviket mellom måltemperaturen og den ideelle temperaturen, styres utstyret for å redusere bevegelseshastighetsforholdet i henhold til visse regler for å forlenge laserens virkningstid på arbeidsstykkets overflate og tiden det tar for pulveret å falle, noe som automatisk kan fylle det kollapsede området.

Faktisk er ikke smeltebadet statisk, slik som kokende vann. Under laserpåvirkning fortsetter det smeltede metallet på bunnen å rulle oppover. Temperaturen på det smeltede metallet som ruller opp fra bunnen må være lavere enn den opprinnelige smeltetemperaturen på overflaten, noe som vil føre til et visst avvik i temperaturmålingen av smeltebadet. I tillegg, hvis et kamera brukes til å overvåke morfologien til smeltebadet, er overflatemorfologien til smeltebadet også ustabil på grunn av rulling og krusning av smeltebadet, samt blåseeffekten av pulvertilførselsgassen og beskyttelsesgassen på smeltebadet. Derfor bør man ved utforming av kontrollalgoritmen være oppmerksom på filtrering og gjennomsnittsberegning for å unngå negative effekter av måleavvik på lukket sløyfekontroll.

3 Industrielle utsikter for pulvermating av 3D-printing

For tiden utvikler trådbuetrykk (WAAM) seg raskt på grunn av den høye hastigheten og ytelsen til noen deler som til og med overgår tradisjonelle støpegods. SLM ekspanderer raskt på grunn av sine fine deler, enestående vektreduksjon for arbeidsstykker med interne strukturkrav, og nesten ingen manuell deltakelse i produksjonsprosessen etter at prosessparametrene er bestemt. Pulvermatingstrykk (LDM) blir gradvis presset ut fordi det krever mer manuell inngripen i prosesseringsprosessen og ikke er spesielt enestående i produksjonshastighet. Pulvermatingstrykk er imidlertid uerstattelig: gradientfunksjonelle deler med skiftende trykkkomponenter og store strukturelle deler med spesielle komponenter kan bare fullføres ved pulvermatingstrykk. I tillegg kan egenskapene til pulvermatingstrykk som kan justere sammensetningen av deler når som helst, utvikle høykapasitets materialtestutstyr for ny materialutvikling, noe som er av stor betydning for utviklingen av innenlandsk materialvitenskap. Derfor har pulvermatingstrykk (LDM) sitt spesifikke utviklingsrom og behov.

Gjennom sammenligningen av de tre 3D-utskriftsprosessene som er oppført i tabell 1, er ulempen med pulvermatende 3D-utskrift (LDM) sammenlignet med trådbueutskrift (WAAM) prosesseringshastigheten, og ulempen sammenlignet med pulverformet 3D-utskrift (SLM) er delenøyaktigheten. Det er vanskelig å oppnå storskala forbedring av prosesseringshastigheten til pulvermatende 3D-utskrift, men ved å forbedre delenøyaktigheten vil bruksscenariene for pulvermatende 3D-utskrift (LDM) raskt utvides. Ved å kombinere pulvermatende 3D-utskrift med tradisjonell fresing og skjæring, design og produksjon av flerstasjons additivt og subtraktivt integrert utstyr, realiseres vekslingen mellom additiv utskrift og subtraktiv produksjon. Mens én stasjon utfører pulvermatende 3D-utskrift eller fresing og skjæring, brukes andre stasjoner til å kjøle ned de trykte arbeidsstykkene for å vente på fresing og skjæring. Ved å bruke et sett med additivt og subtraktivt utstyr til å vekselvis utføre additiv utskrift og fresing og skjæring på flere deler, vil ikke produksjonseffektiviteten reduseres betydelig, samtidig som presisjonen til produktdelene forbedres. Dette vil danne en overveldende fordel i forhold til pulverleggings-3D-printing (SLM) og utvide bruksområdet for pulvermating-3D-printing (LDM) betraktelig.

Integreringen av pulvermatende 3D-printing og fresing og skjæring er et vanskelig punkt. Det er nødvendig å løse problemene med romlig posisjonering av produkter og koordinattransformasjon i additiv og subtraktiv prosess. Dette krever utvikling og innovasjon innen programvareutvikling for baneplanlegging; det er også nødvendig å løse problemet med prosesskombinasjon mellom additiv og subtraktiv: for eksempel kan ikke skjærevæske brukes i frese- og skjæreprosessen, ellers vil gjenværende skjærevæske påvirke delens sammensetning i neste utskriftsprosess.

4 Konklusjon

Pulvermating 3D-printing har fordelene med rask utskriftshastighet, i utgangspunktet ubegrenset delstørrelse og gradientutskrift, noe som gjør den uerstattelig innen 3D utskriftMålrettet forskning på teknologi for kontroll av smeltebad og additiv og subtraktiv materialteknologi for pulvermatende 3D-printing kan redusere avhengigheten av pulvermatende 3D-printing av prosesspersonell, effektivt utvide bruksområdet for pulvermatende 3D-printing og gi omfattende sosiale fordeler.