Papīra pārskats
1. Ievads
Piedevu ražošanā (AM) ultraīso impulsu (USP) lāzeri ļauj apstrādāt plašu materiālu klāstu un piedāvā iespēju samazināt izgatavoto komponentu izmērus un sarežģītību. Šis pētījums parāda USP lāzeru izmantošanas iespējamību kā alternatīvu Laser Powder Bed Fusion (LPBF) sistēmām, jo īpaši kritisko detaļu ražošanai, kurām nepieciešama lielāka precizitāte. Izmantojot pielāgotas un pašražotas nerūsējošā tērauda pulvera daļiņas, pētnieki sasniedza vēlamos rezultātus un veiksmīgi izveidoja konsekventus kvadrātveida slāņus, optimizējot virkni apstrādes parametru.
Pētījums apstiprina, ka procesa parametriem ir izšķiroša nozīme, izmantojot USP lāzerus - pat nelielas šo parametru novirzes var izraisīt nepilnīgu kušanu. Samazinot skenēšanas ātrumu, lai veicinātu siltuma uzkrāšanos, kušana tika panākta pie zemām impulsu atkārtošanās frekvencēm (500 kHz) un zemām vidējām lāzera jaudām (0,5–1 W). Šī pieeja nodrošina iespēju vēl vairāk samazināt detaļu izmēru, kas ir būtiski AM virzīšanai, izmantojot USP lāzera avotus.
2. Pētījuma kopsavilkums
Nepārtraukti attīstot piedevu ražošanu, femtosekundes lāzeri parāda daudzsološu potenciālu 316L nerūsējošā tērauda apstrādei. Šajā rakstā ir apkopots un apskatīts pētījums par procesa parametru ietekmi 316L nerūsējošā tērauda femtosekundes lāzerapstrādē. Pētījuma galvenais mērķis ir izpētīt, kā lāzera jauda, pulvera daļiņu izmērs, skenēšanas ātrums un lūkas attālums ietekmē apstrādes kvalitāti un materiāla veiktspēju, lai optimizētu ražošanas apstākļus.
Pētnieki vispirms iepazīstināja ar 316L nerūsējošā tērauda īpašībām un piemērotību, pēc tam detalizēti izklāstīja femtosekundes lāzera apstrādes darbības principu un mehānismus. Pēc tam viņi koncentrējās uz to, kā galvenie parametri -, tostarp lāzera jauda, daļiņu izmērs, skenēšanas ātrums un lūkas attālums - ietekmē materiāla kvalitāti.
Izmantojot eksperimentālos pētījumus, komanda noteica optimālu lāzera jaudas diapazonu, lai novērstu pārmērīgu ablāciju un materiālu bojājumus. Viņi arī atklāja, ka smalkākas pulvera daļiņas nodrošina labāku kausējuma baseina kontroli un lielāku formēšanas precizitāti. Turklāt tika pierādīts, ka skenēšanas ātruma un lūkas attāluma pielāgojumi samazina virsmas defektus un porainību, uzlabojot gan kvalitāti, gan efektivitāti.
Visbeidzot, pētījumā tika apspriestas femtosekundes lāzeru pielietošanas iespējas 316L nerūsējošā tērauda ražošanā, izceļot pašreizējās problēmas un nākotnes pētniecības virzienus.
3. Eksperimentālā analīze un skaitļi
3.1 USP lāzera princips
Ultrashort impulss (USP) lāzeri ģenerē ārkārtīgi īsu impulsu ilgumu, parasti diapazonā no femtosekundēm (10⁻¹⁵ s) līdz pikosekundēm (10⁻¹² s). Šie lāzeri balstās uz nelineāriem optiskiem efektiem un īpaši ātru optiku.
USP lāzera galvenā sastāvdaļa ir rezonanses dobums, kurā ir lāzera barotne (piemēram, Nd:YAG vai Ti:safīra kristāls) un pastiprinājuma avots (piemēram, lāzera diodes vai zibspuldzes). Pastiprināšanas process notiek, izmantojot stimulētu emisiju, kur fotoni atkārtoti atspoguļojas starp spoguļiem dobumā un tiek pastiprināti, galu galā veidojot spēcīgu izejas staru.
USP lāzeri nodrošina ļoti īsu impulsu ilgumu, izmantojot nelineāros optiskos efektus, piemēram, paš-fāzes modulāciju un nelineāro refrakciju. Optiskie elementi, piemēram, frekvenču{2}}dubultošanas kristāli vai šķiedras, palīdz paplašināt un saspiest impulsu spektru, sasniedzot impulsa ilgumu femtosekundes diapazonā.
1. attēls. Temperatūras attīstība pie dažādām lāzera jaudām
1. attēlā parādīts, kā temperatūra mainās ar mainīgu lāzera jaudu.
Liela jauda (sarkanā līkne):temperatūra pārsniedz kušanas un ablācijas slieksni.
Maza jauda (zaļa līkne):nepietiekama temperatūra kausēšanai.
Optimālā jauda (zilā līkne):nodrošina kausēšanu bez ablācijas.
2. attēls – rupju un smalku pulveru SEM attēli
Ceit izstrādāja pielāgotus ar gāzi{0}}smidzinātus metāla pulverus AM. Tika izmantoti divu veidu pulveri:
Rupjš pulveris (20–45 µm)
smalks pulveris (<20 µm)
Smalki pulveri uzlaboja kušanas kontroli un slāņa viendabīgumu.
3. attēls. Pirmā slāņa nogulsnēšanās process
Lai uzlabotu pulvera adhēziju, substrāts vispirms tika apstrādāts ar lāzeru{0}}, lai palielinātu virsmas raupjumu. Profilometriskā analīze uzrādīja virsmas raupjumu (Sa) 3,3 µm un dziļumu 51,499 µm. Pēc tam slāņi tika uzklāti, izmantojot lāpstiņu metodi, panākot vienmērīgu biezumu:
Rupjš pulveris: 100–200 µm slāņi
Smalks pulveris: 50 µm slāņi
4. attēls. Jaudas ietekme uz rupjā pulvera apstrādi
USP lāzeru izmantošana AM rada izaicinājumu: pulvera kausēšana, neizraisot ablāciju. Pārmērīga jauda izraisa daļiņu izmešanu vai substrāta bojājumus. Lāzera jaudas samazināšana zem ablācijas sliekšņa nodrošina veiksmīgu kausēšanu.
Ja jauda ir mazāka par 0,5 W, smalkais pulveris paliek nemainīgs, savukārt virs šī sliekšņa daļiņas kūst un saplūst lielākās sfērās.
5. attēls. Jaudas izmaiņas smalkos pulveros
Palielinot jaudu no 0,59 W līdz 0,765 W, uzlabota kušana, veidojot gludākas un vienmērīgākas virsmas. Virsmas raupjums (Sa) samazinājās no 3,45 µm līdz 2,58 µm.
6. attēls. Skenēšanas ātruma ietekme
Pie 0,674 W un 10 µm lūkas attāluma:
Skenēšanas ātruma samazināšana no 5 mm/s līdz 2,5 mm/s palielināja siltuma uzkrāšanos un daļiņu saplūšanu, paplašinot kopas un paaugstinot Sa no 5,43 µm līdz 6,75 µm.
Pie 0,765 W lēnāka skenēšana nodrošināja vienmērīgākus rezultātus (Sa ≈ 3,9–4,1 µm).
7. attēls. Jaudas un ātruma kombinētā ietekme
Pie lielākiem jaudas līmeņiem (0,85–0,935 W) un skenēšanas ātrumiem līdz 2,5 mm/s Sa vēl vairāk samazinājās līdz 3,5–3,8 µm. Zem 1,5 mm/s pārkaršana izraisīja pulvera plīsumu un degšanu.
8. attēls – lūkas attāluma samazināšana
Samazinot lūkas attālumu no 7 µm līdz 5 µm, virsmas kvalitāte ievērojami uzlabojās - Sa samazinājās no 6,75 µm līdz 4,1 µm. Pārāk lieli attālumi izraisīja nevienmērīgu kušanu un defektu veidošanos.
9. attēls – lūkas attāluma ietekme
Optimālas jaudas un ātruma logos, samazinot lūku attālumu, pastāvīgi uzlabojās virsmas viendabīgums, sasniedzot tikai 2–3 µm Sa. Ātruma regulēšana bija nepieciešama, lai līdzsvarotu siltuma uzkrāšanos.
10. attēls. Optimālie procesa parametri
Labākie apstrādes nosacījumi sasniedza ļoti vienmērīgu kausētu virsmu ar Sa 2,37 µm, izmantojot:
Lāzera jauda:0.775 W
Skenēšanas ātrums:2,5 mm/s
Lūkas attālums:7.5 µm
4. Secinājums
Lai novērtētu USP lāzeru potenciālu piedevu ražošanā, femtosekundes lāzeri tika integrēti LPBF procesā, izmantojot divu veidu nerūsējošā{0}tērauda pulverus. Pētījumā secināts, kalāzera jaudair viskritiskākais faktors - pārmērīga jauda izraisa ablāciju, savukārt pārāk mazs traucē kušanu.
Kad tika izveidots optimālais elektriskais logs (0,775–0,935 W), skenēšanas ātruma un lūkas attāluma precīza noregulēšana vēl vairāk uzlaboja virsmas gludumu. Labākie rezultāti tika sasniegti:
Jauda: 0.775–0.935 W
Skenēšanas ātrums:2,5 mm/s
Lūkas attālums: 5–7.5 µm
Saskaņā ar šiem optimizētajiem parametriem tika panākta vienmērīga kušana un minimāls virsmas raupjums, kas apstiprina USP lāzeru iespējamību augstas -precizitātes mikro-mēroga komponentu piedevu ražošanā.
