Paberi ülevaade
1. Sissejuhatus
Lisandustootmises (AM) võimaldavad ultrashort impulss (USP) laserid töödelda mitmesuguseid materjale ja pakuvad potentsiaali valmistatud komponentide mõõtmete ja keerukuse vähendamiseks. See uuring näitab USP laserite kasutamise teostatavust Laser Powder Bed Fusion (LPBF) süsteemide alternatiivina, eriti kriitiliste osade tootmisel, mis nõuavad suuremat täpsust. Kasutades kohandatud ja ise toodetud roostevabast terasest-pulbriosakesi, saavutasid teadlased soovitud tulemused ja valmistasid edukalt ühtsed ruudukujulised kihid, optimeerides mitmeid töötlemisparameetreid.
Uuring kinnitab, et protsessi parameetrid mängivad USP laserite kasutamisel kriitilist rolli - isegi väikesed kõrvalekalded nendes parameetrites võivad põhjustada mittetäieliku sulamise. Soojuse akumuleerumise soodustamiseks skaneerimiskiirust vähendades saavutati sulamine madalate impulsside kordussageduste (500 kHz) ja madala keskmise laserivõimsuse (0,5–1 W) juures. See lähenemisviis annab võimaluse osade suurust veelgi minimeerida, mis on oluline AM-i edendamiseks USP laserallikate abil.
2. Uuringu kokkuvõte
Lisandite tootmise pideva arenguga näitavad femtosekundilised laserid paljulubavat potentsiaali 316L roostevaba terase töötlemiseks. Selles artiklis tehakse kokkuvõte ja ülevaade uuringust protsessi parameetrite mõju kohta 316L roostevaba terase femtosekundilisel lasertöötlusel. Uuringu põhieesmärk on uurida, kuidas laseri võimsus, pulbri osakeste suurus, skaneerimiskiirus ja luugikaugus mõjutavad töötlemise kvaliteeti ja materjali jõudlust, et optimeerida tootmistingimusi.
Teadlased tutvustasid esmalt 316L roostevaba terase omadusi ja sobivust, seejärel kirjeldasid üksikasjalikult femtosekundilise lasertöötluse tööpõhimõtet ja mehhanisme. Seejärel keskendusid nad sellele, kuidas peamised parameetrid -, sealhulgas laseri võimsus, osakeste suurus, skaneerimiskiirus ja luugikaugus - mõjutavad materjali kvaliteeti.
Eksperimentaalsete uuringute abil tuvastas meeskond optimaalse laseri võimsusvahemiku, et vältida liigset ablatsiooni ja materiaalset kahju. Samuti leidsid nad, et peenemad pulbriosakesed tagavad parema sulamisbasseini kontrolli ja suurema vormimistäpsuse. Lisaks näidati, et skaneerimiskiiruse ja luugi kauguse reguleerimine vähendas pinnadefekte ja poorsust, parandades nii kvaliteeti kui ka tõhusust.
Lõpuks arutati uuringus femtosekundiliste laserite kasutusvõimalusi 316L roostevaba terase tootmisel, tuues välja praegused väljakutsed ja tulevased uurimissuunad.
3. Eksperimentaalne analüüs ja joonised
3.1 USP laserprintsiip
Ultrashort impulss (USP) laserid genereerivad väga lühikesi impulsside kestusi, tavaliselt vahemikus femtosekundist (10-15 s) kuni pikosekundini (10-12 s). Need laserid tuginevad mittelineaarsetele optilistele efektidele ja ülikiirele optikale.
USP laseri põhikomponent on resonantsõõnsus, mis sisaldab laserkeskkonda (nt Nd:YAG või Ti:safiirkristall) ja võimendusallikat (nt laserdioodid või välklambid). Võimendusprotsess toimub stimuleeritud emissiooni kaudu, kus footonid peegelduvad korduvalt õõnsuse peeglite vahel ja võimenduvad, moodustades lõpuks võimsa väljundkiire.
USP-laserid saavutavad ülilühikese impulsi kestuse, võimendades mittelineaarseid optilisi efekte, nagu ise{0}}faasimodulatsioon ja mittelineaarne murdumine. Optilised elemendid, nagu sagedus{2}}kahekordistavad kristallid või kiud, aitavad laiendada ja tihendada impulsispektrit, saavutades impulsi kestuse femtosekundite vahemikus.
Joonis 1 – Temperatuuri areng erinevatel laserivõimsustel
Joonis 1 illustreerib, kuidas temperatuur muutub laseri võimsuse muutumisel.
Suur võimsus (punane kõver):temperatuur ületab sulamis- ja ablatsiooniläve.
Väike võimsus (roheline kõver):sulamiseks ebapiisav temperatuur.
Optimaalne võimsus (sinine kõver):võimaldab sulatada ilma ablatsioonita.
Joonis 2 – SEM-pildid jämedatest ja peentest pulbritest
Ceit töötas välja kohandatud gaas{0}}pihustatud metallipulbrid AM jaoks. Kasutati kahte tüüpi pulbrit:
Jäme pulber (20–45 µm)
peen pulber (<20 µm)
Peened pulbrid saavutasid parema sulamiskontrolli ja kihi ühtluse.
Joonis 3 – Esimese kihi sadestamise protsess
Pulbri adhesiooni parandamiseks töödeldi aluspinda esmalt laser{0}}, et suurendada pinna karedust. Profilomeetriline analüüs näitas, et pinna karedus (Sa) on 3,3 µm ja sügavus 51,499 µm. Seejärel kanti kihid terameetodil, saavutades ühtlase paksuse:
Jäme pulber: 100–200 µm kihid
Peen pulber: 50 µm kihid
Joonis 4 – Võimsuse mõju jämeda pulbri töötlemisel
USP laserite kasutamine AM-is on väljakutse: pulbri sulatamine ilma ablatsiooni põhjustamata. Liigne võimsus põhjustab osakeste väljapaiskumise või substraadi kahjustamise. Laseri võimsuse vähendamine alla ablatsiooniläve tagab eduka sulamise.
Kui võimsus on alla 0,5 W, jääb peen pulber muutumatuks, samas kui üle selle läve osakesed sulavad ja ühinevad suuremateks sfäärideks.
Joonis 5 – Peente pulbrite võimsuse kõikumine
Suurendades võimsust 0,59 W-lt 0,765 W-le, parandab sulamist, muutes siledamad ja ühtlasemad pinnad. Pinna karedus (Sa) vähenes 3,45 µm-lt 2,58 µm-ni.
Joonis 6 – Skaneerimiskiiruse mõju
0,674 W ja 10 µm luugikaugusel:
Skaneerimiskiiruse vähendamine 5 mm/s-lt 2,5 mm/s suurendas soojuse akumuleerumist ja osakeste ühinemist, suurendas klastreid ja tõstis Sa 5,43 µm-lt 6,75 µm-le.
0,765 W juures andis aeglasem skaneerimine sujuvama tulemuse (Sa ≈ 3,9–4,1 µm).
Joonis 7 – Võimsuse ja kiiruse kombineeritud mõju
Kõrgema võimsustaseme (0,85–0,935 W) ja skaneerimiskiiruse kuni 2,5 mm/s korral vähenes Sa veelgi 3,5–3,8 µm-ni. Alla 1,5 mm/s põhjustas ülekuumenemine pulbri rebenemise ja põlemise.
Joonis 8 – Luugi kauguse vähendamine
Luugi kauguse vähendamine 7 µm-lt 5 µm-le parandas pinna kvaliteeti oluliselt - Sa langes 6,75 µm-lt 4,1 µm-le. Liiga suured vahemaad põhjustasid ebaühtlase sulamise ja defektide tekke.
Joonis 9 – Viirutuse kauguse mõju
Optimaalsete võimsus- ja kiirusakende puhul parandas luukide kauguse vähendamine pidevalt pinna ühtlust, saavutades Sa nii madalaks kui 2–3 µm. Soojuse kogunemise tasakaalustamiseks oli vaja kiirust reguleerida.
Joonis 10 – Optimaalsed protsessiparameetrid
Parimad töötlemistingimused saavutasid väga ühtlase sulanud pinna, mille Sa on 2,37 µm, kasutades:
Laseri võimsus:0.775 W
Skaneerimise kiirus:2,5 mm/s
Luugi kaugus:7.5 µm
4. Järeldus
Et hinnata USP laserite potentsiaali lisaainete tootmises, integreeriti femtosekundilised laserid LPBF protsessi, kasutades kahte tüüpi roostevabast{0}}terasest pulbrit. Uuring järeldab, etlaseri võimsuson kõige kriitilisem tegur - liigne võimsus põhjustab ablatsiooni, liiga väike aga takistab sulamist.
Kui optimaalne elektriaken (0,775–0,935 W) oli loodud, parandas skannimiskiiruse ja luugikauguse peenhäälestus veelgi pinna siledust. Parimad tulemused saavutati:
Võimsus: 0.775–0.935 W
Skaneerimise kiirus:2,5 mm/s
Luugi kaugus: 5–7.5 µm
Nende optimeeritud parameetritega saavutati ühtlane sulamine ja minimaalne pinnakaredus, mis kinnitab USP laserite teostatavust mikro-mastaabis komponentide ülitäpse lisandite valmistamisel.
