La technologie de fabrication additive laser (FA), avec ses avantages de haute précision de fabrication, de grande flexibilité et de degré élevé d'automatisation, est largement utilisée dans la fabrication de composants clés dans des domaines tels que l'automobile, le médical, l'aérospatiale, etc. injecteurs de carburant, supports d'antenne satellite, implants humains, etc.). Cette technologie peut considérablement améliorer les performances combinées des pièces imprimées grâce à une fabrication intégrée de la structure et des performances des matériaux. À l’heure actuelle, la technologie de fabrication additive laser adopte généralement un faisceau gaussien focalisé avec une distribution d’énergie élevée au centre et aux bords bas. Cependant, cela génère souvent des gradients thermiques élevés dans la masse fondue, conduisant à la formation ultérieure de pores et de gros grains. La technologie de mise en forme du faisceau est une nouvelle méthode pour résoudre ce problème, qui améliore l'efficacité et la qualité de l'impression en ajustant la répartition de l'énergie du faisceau laser.
Par rapport à la soustraction traditionnelle et à la fabrication équivalente, la technologie de fabrication additive métallique présente des avantages tels qu'un temps de cycle de fabrication court, une précision de traitement élevée, un taux d'utilisation élevé des matériaux et de bonnes performances globales des pièces. Par conséquent, la technologie de fabrication additive métallique est largement utilisée dans des secteurs tels que l’aérospatiale, les armes et équipements, l’énergie nucléaire, les produits biopharmaceutiques et l’automobile. Basée sur le principe de l'empilement discret, la fabrication additive métallique utilise une source d'énergie (telle qu'un laser, un arc ou un faisceau électronique) pour faire fondre la poudre ou le fil, puis les empile couche par couche pour fabriquer le composant cible. Cette technologie présente des avantages significatifs dans la production de petites séries, de structures complexes ou de pièces personnalisées. Les matériaux qui ne peuvent pas être ou sont difficiles à traiter avec les techniques traditionnelles peuvent également être préparés par des méthodes de fabrication additive. En raison des avantages ci-dessus, la technologie de fabrication additive a attiré l’attention des chercheurs tant au niveau national qu’international. Au cours des dernières décennies, la technologie de fabrication additive a fait des progrès rapides. En raison de l'automatisation et de la flexibilité des équipements de fabrication additive laser, ainsi que des avantages complets d'une densité d'énergie laser élevée et d'une précision de traitement élevée, la technologie de fabrication additive laser s'est développée le plus rapidement parmi les trois technologies de fabrication additive métallique mentionnées ci-dessus.
La technologie de fabrication additive métallique au laser peut être divisée en LPBF et DED. La figure 1 montre un diagramme schématique typique des processus LPBF et DED. Le procédé LPBF, également connu sous le nom de fusion sélective au laser (SLM), permet de fabriquer des composants métalliques complexes en balayant des faisceaux laser à haute énergie le long d'un chemin fixe à la surface d'un lit de poudre. Ensuite, la poudre fond et se solidifie couche par couche. Le procédé DED comprend principalement deux procédés d'impression : le dépôt par fusion laser et la fabrication additive à alimentation par fil laser. Ces deux technologies peuvent directement fabriquer et réparer des pièces métalliques en alimentant de manière synchrone de la poudre ou du fil métallique. Comparé au LPBF, le DED a une productivité plus élevée et une plus grande zone de fabrication. De plus, cette méthode peut également préparer facilement des matériaux composites et des matériaux fonctionnellement classés. Cependant, la qualité de surface des pièces imprimées par DED est toujours médiocre et un traitement ultérieur est nécessaire pour améliorer la précision dimensionnelle du composant cible.
Dans le processus actuel de fabrication additive laser, le faisceau gaussien focalisé est généralement la source d’énergie. Cependant, en raison de sa distribution d'énergie unique (centre haut, bord bas), il est susceptible de provoquer des gradients thermiques élevés et une instabilité du bain de fusion. Il en résulte une mauvaise qualité de formage des pièces imprimées. De plus, si la température centrale du bain de fusion est trop élevée, les éléments métalliques à bas point de fusion se vaporiseront, ce qui exacerbera encore l'instabilité du procédé LBPF. Par conséquent, avec une augmentation de la porosité, les propriétés mécaniques et la durée de vie des pièces imprimées sont considérablement réduites. La répartition inégale de l’énergie des faisceaux gaussiens conduit également à une faible efficacité d’utilisation de l’énergie laser et à un gaspillage d’énergie excessif. Afin d'obtenir une meilleure qualité d'impression, les chercheurs ont commencé à explorer la compensation des défauts des faisceaux gaussiens en modifiant les paramètres du processus tels que la puissance du laser, la vitesse de balayage, l'épaisseur de la couche de poudre et la stratégie de balayage, afin de contrôler la possibilité d'apport d'énergie. En raison de la fenêtre de traitement très étroite de cette méthode, des limitations physiques fixes limitent la possibilité d'une optimisation ultérieure. Par exemple, l’augmentation de la puissance du laser et de la vitesse de numérisation peut permettre d’obtenir une efficacité de fabrication élevée, mais cela se fait souvent au prix d’un sacrifice de la qualité d’impression. Ces dernières années, la modification de la distribution de l'énergie laser grâce à des stratégies de mise en forme du faisceau peut améliorer considérablement l'efficacité de la fabrication et la qualité d'impression, ce qui pourrait devenir l'orientation future du développement de la technologie de fabrication additive laser. La technologie de mise en forme du faisceau fait généralement référence à l'ajustement de la distribution du front d'onde du faisceau d'entrée pour obtenir la distribution d'intensité et les caractéristiques de propagation souhaitées. L'application de la technologie de mise en forme de faisceaux dans la technologie de fabrication additive métallique est illustrée à la figure 2.
Application de la technologie de mise en forme de faisceau à la fabrication additive laser
Les inconvénients de l'impression par faisceau gaussien traditionnelle
Dans la technologie de fabrication additive laser métal, la répartition de l’énergie du faisceau laser a un impact significatif sur la qualité des pièces imprimées. Bien que les faisceaux gaussiens aient été largement utilisés dans les équipements de fabrication additive laser métal, ils souffrent de sérieux inconvénients tels qu'une qualité d'impression instable, une faible consommation d'énergie et des fenêtres de processus étroites dans le processus de fabrication additive. Parmi eux, le processus de fusion de la poudre et la dynamique du bain fondu pendant le processus d'additif laser métallique sont étroitement liés à l'épaisseur de la couche de poudre. En raison de la présence d’éclaboussures de poudre et de zones d’érosion, l’épaisseur réelle de la couche de poudre est supérieure aux attentes théoriques. Deuxièmement, la colonne de vapeur a provoqué les principales éclaboussures du jet vers l'arrière. La vapeur métallique entre en collision avec la paroi arrière pour former des éclaboussures qui sont pulvérisées le long de la paroi avant perpendiculairement à la zone concave du bain de fusion (comme le montre la figure 3). En raison de l'interaction complexe entre le faisceau laser et les éclaboussures, les éclaboussures éjectées peuvent sérieusement affecter la qualité d'impression des couches de poudre suivantes. De plus, la formation de trous de serrure dans le bain de fusion affecte également sérieusement la qualité des pièces imprimées. Les pores internes de la pièce imprimée sont principalement causés par des trous de verrouillage instables.
Le mécanisme de formation de défauts dans la technologie de mise en forme du faisceau
La technologie de mise en forme des faisceaux peut améliorer les performances dans plusieurs dimensions simultanément, ce qui est différent des faisceaux gaussiens qui améliorent les performances dans une dimension au prix du sacrifice des autres dimensions. La technologie de mise en forme du faisceau peut ajuster avec précision la répartition de la température et les caractéristiques de débit du bain de fusion. En contrôlant la distribution de l'énergie laser, un bain fondu relativement stable avec un faible gradient de température est obtenu. Une distribution appropriée de l'énergie laser est bénéfique pour supprimer la porosité et les défauts de pulvérisation, et pour améliorer la qualité de l'impression laser sur les pièces métalliques. Il peut réaliser diverses améliorations en termes d’efficacité de production et d’utilisation de la poudre. Dans le même temps, la technologie de mise en forme du faisceau nous offre davantage de stratégies de traitement, libérant considérablement la liberté de conception des processus, ce qui constitue un progrès révolutionnaire dans la technologie de fabrication additive laser.
Heure de publication : 28 février 2024
