Pregled papirja
1. Uvod
V aditivni proizvodnji (AM) laserji z ultrakratkimi impulzi (USP) omogočajo obdelavo širokega nabora materialov in ponujajo potencial za zmanjšanje dimenzij in kompleksnosti izdelanih komponent. Ta študija dokazuje izvedljivost uporabe laserjev USP kot alternative sistemom Laser Powder Bed Fusion (LPBF), zlasti za proizvodnjo kritičnih delov, ki zahtevajo večjo natančnost. Z uporabo prilagojenih in lastno{2}}proizvedenih delcev prahu-iz nerjavečega jekla so raziskovalci dosegli želene rezultate in uspešno izdelali dosledne kvadratne plasti z optimizacijo vrste procesnih parametrov.
Študija potrjuje, da imajo procesni parametri ključno vlogo pri uporabi laserjev USP - že manjša odstopanja teh parametrov lahko povzročijo nepopolno taljenje. Z zmanjšanjem hitrosti skeniranja za spodbujanje akumulacije toplote je bilo taljenje doseženo pri nizkih frekvencah ponavljanja impulzov (500 kHz) in nizkih povprečnih močeh laserja (0,5–1 W). Ta pristop nudi možnost nadaljnjega zmanjšanja velikosti delov, kar je pomembno za napredek AM z uporabo laserskih virov USP.
2. Povzetek študije
Z nenehnim razvojem aditivne proizvodnje femtosekundni laserji kažejo obetaven potencial za obdelavo nerjavečega jekla 316L. Ta članek povzema in pregleduje študijo o vplivu procesnih parametrov pri femtosekundni laserski obdelavi nerjavečega jekla 316L. Glavni cilj raziskave je raziskati, kako moč laserja, velikost delcev prahu, hitrost skeniranja in razdalja lopute vplivajo na kakovost obdelave in zmogljivost materiala, da bi optimizirali pogoje izdelave.
Raziskovalci so najprej predstavili značilnosti in primernost nerjavečega jekla 316L, nato pa podrobno opisali princip delovanja in mehanizme femtosekundne laserske obdelave. Nato so se osredotočili na to, kako ključni parametri -, vključno z močjo laserja, velikostjo delcev, hitrostjo skeniranja in razdaljo lopute -, vplivajo na kakovost materiala.
Z eksperimentalnimi študijami je skupina identificirala optimalni razpon moči laserja za preprečevanje prekomerne ablacije in materialne škode. Ugotovili so tudi, da drobnejši delci prahu vodijo k boljšemu nadzoru bazena taline in večji natančnosti oblikovanja. Poleg tega se je pokazalo, da prilagoditve hitrosti skeniranja in razdalje lopute zmanjšajo površinske napake in poroznost, s čimer izboljšajo kakovost in učinkovitost.
Nazadnje je študija razpravljala o možnostih uporabe femtosekundnih laserjev v proizvodnji nerjavečega jekla 316L, pri čemer je poudarila trenutne izzive in prihodnje raziskovalne smeri.
3. Eksperimentalna analiza in številke
3.1 Laserski princip USP
Laserji z ultrakratkimi impulzi (USP) ustvarjajo izjemno kratke impulze, običajno v območju od femtosekund (10⁻¹⁵ s) do pikosekund (10⁻¹² s). Ti laserji temeljijo na nelinearnih optičnih učinkih in ultrahitri optiki.
Osrednja komponenta laserja USP je resonančna votlina, ki vsebuje laserski medij (npr. kristal Nd:YAG ali ti:safir) in vir ojačenja (kot so laserske diode ali bliskavice). Proces ojačanja poteka s stimulirano emisijo, kjer se fotoni večkrat odbijajo med ogledali v votlini in se ojačajo, na koncu pa tvorijo močan izhodni žarek.
Laserji USP dosegajo ultrakratke impulze z izkoriščanjem nelinearnih optičnih učinkov, kot sta samo-fazna modulacija in nelinearni lom. Optični elementi, kot so kristali-za podvajanje frekvence ali vlakna, pomagajo razširiti in stisniti spekter impulza ter doseči trajanje impulza v območju femtosekund.
Slika 1 – Razvoj temperature pri različnih laserskih močeh
Slika 1 prikazuje, kako se temperatura spreminja z različno močjo laserja.
Velika moč (rdeča krivulja):temperatura presega pragove taljenja in ablacije.
Nizka moč (zelena krivulja):nezadostna temperatura za taljenje.
Optimalna moč (modra krivulja):omogoča taljenje brez ablacije.
Slika 2 – SEM slike grobih in finih praškov
Ceit je za AM razvil prilagojene plinsko{0}}razpršene kovinske prahove. Uporabljeni sta bili dve vrsti prahu:
Grob prah (20–45 µm)
Fini prah (<20 µm)
Fini praški so dosegli izboljšan nadzor taljenja in enakomernost plasti.
Slika 3 – Postopek nanašanja prvega sloja
Za izboljšanje oprijema prahu je bil substrat najprej lasersko-obdelan, da se poveča hrapavost površine. Profilometrična analiza je pokazala površinsko hrapavost (Sa) 3,3 µm in globino 51,499 µm. Sloji so bili nato naneseni z metodo rezila, s čimer smo dosegli enakomerno debelino:
Grob prah: plasti 100–200 µm
Fin prah: 50 µm plasti
Slika 4 – Učinek moči pri predelavi grobega prahu
Uporaba laserjev USP v AM predstavlja izziv: taljenje prahu brez povzročanja ablacije. Prekomerna moč povzroči izmet delcev ali poškodbo substrata. Zmanjšanje moči laserja pod prag ablacije povzroči uspešno taljenje.
Pri moči pod 0,5 W ostane fin prah nespremenjen, nad tem pragom pa se delci stopijo in združijo v večje krogle.
Slika 5 – Sprememba moči pri finih prahu
Povečanje moči z 0,59 W na 0,765 W je izboljšalo taljenje, kar je povzročilo bolj gladke in enakomerne površine. Površinska hrapavost (Sa) se je zmanjšala s 3,45 µm na 2,58 µm.
Slika 6 – Učinek hitrosti skeniranja
Pri 0,674 W in razdalji lopute 10 µm:
Zmanjšanje hitrosti skeniranja s 5 mm/s na 2,5 mm/s je povečalo kopičenje toplote in koalescenco delcev, povečalo grozde in povečalo Sa s 5,43 µm na 6,75 µm.
Pri 0,765 W je počasnejše skeniranje vodilo do bolj gladkih rezultatov (Sa ≈ 3,9–4,1 µm).
Slika 7 – Kombinirani učinek moči in hitrosti
Pri višjih ravneh moči (0,85–0,935 W) in hitrostih skeniranja do 2,5 mm/s se je Sa dodatno zmanjšal na 3,5–3,8 µm. Pod 1,5 mm/s je pregrevanje povzročilo razpok prahu in gorenje.
Slika 8 – Zmanjšanje razdalje lopute
Zmanjšanje razdalje lopute s 7 µm na 5 µm je znatno izboljšalo kakovost površine - Sa je padla s 6,75 µm na 4,1 µm. Prevelike razdalje so povzročile neenakomerno taljenje in nastanek napak.
Slika 9 – Vpliv razdalje lopute
Znotraj oken z optimalno močjo in hitrostjo je zmanjšanje razdalje med loputami dosledno izboljšalo enakomernost površine in doseglo Sa le 2–3 µm. Prilagoditve hitrosti so bile potrebne za uravnoteženje akumulacije toplote.
Slika 10 – Optimalni procesni parametri
Najboljši pogoji obdelave so dosegli zelo enakomerno staljeno površino s Sa 2,37 µm z uporabo:
Moč laserja:0.775 W
Hitrost skeniranja:2,5 mm/s
Razdalja lopute:7.5 µm
4. Sklep
Za ovrednotenje potenciala laserjev USP v aditivni proizvodnji so bili femtosekundni laserji integrirani v postopek LPBF z uporabo dveh vrst prahu iz-nerjavnega jekla. Študija zaključuje, damoč laserjaje najbolj kritičen dejavnik - prekomerna moč povzroči ablacijo, premajhna pa prepreči taljenje.
Ko je bilo vzpostavljeno optimalno okno moči (0,775–0,935 W), je fina-nastavitev hitrosti skeniranja in razdalje lopute dodatno izboljšala gladkost površine. Najboljši rezultati so bili doseženi pri:
moč: 0.775–0.935 W
Hitrost skeniranja:2,5 mm/s
Razdalja lopute: 5–7.5 µm
Pod temi optimiziranimi parametri sta bila dosežena enakomerno taljenje in minimalna hrapavost površine, kar potrjuje izvedljivost laserjev USP za visoko-natančno aditivno proizvodnjo mikro-komponent.
