Papír áttekintése
1. Bevezetés
Az additív gyártásban (AM) az ultrarövid impulzusú (USP) lézerek sokféle anyag feldolgozását teszik lehetővé, és lehetőséget kínálnak a gyártott alkatrészek méretének és összetettségének csökkentésére. Ez a tanulmány bemutatja az USP lézerek a Laser Powder Bed Fusion (LPBF) rendszerek alternatívájaként történő alkalmazásának megvalósíthatóságát, különösen a nagyobb pontosságot igénylő kritikus alkatrészek gyártásához. A kutatók testreszabott és saját előállítású rozsdamentes-acél porszemcséket használva elérték a kívánt eredményeket, és sikeresen konzisztens négyzet alakú rétegeket készítettek a feldolgozási paraméterek sorozatának optimalizálásával.
A tanulmány megerősíti, hogy a folyamatparaméterek kritikus szerepet játszanak az USP lézerek használatakor - még a paraméterek kisebb eltérései is tökéletlen olvadáshoz vezethetnek. A pásztázási sebesség csökkentésével a hőfelhalmozódás elősegítése érdekében az olvadást alacsony impulzusismétlési frekvenciákon (500 kHz) és alacsony átlagos lézerteljesítményen (0,5–1 W) érte el. Ez a megközelítés lehetőséget ad az alkatrészméret további minimalizálására, ami jelentős az AM USP lézerforrások használatával történő fejlesztése szempontjából.
2. A tanulmány összefoglalása
Az additív gyártás folyamatos fejlesztésével a femtoszekundumos lézerek ígéretes lehetőségeket mutatnak a 316 literes rozsdamentes acél feldolgozására. Ez a cikk összefoglalja és áttekinti a 316L-es rozsdamentes acél femtoszekundumos lézeres megmunkálásakor a folyamatparaméterek hatását vizsgáló tanulmányt. A kutatás fő célja annak vizsgálata, hogy a lézerteljesítmény, a porszemcseméret, a pásztázási sebesség és a sraffozási távolság hogyan befolyásolja a feldolgozás minőségét és az anyagteljesítményt, a gyártási feltételek optimalizálása érdekében.
A kutatók először a 316L-es rozsdamentes acél jellemzőit és alkalmasságát mutatták be, majd részletezték a femtoszekundumos lézeres feldolgozás működési elvét és mechanizmusait. Ezt követően arra összpontosítottak, hogy a legfontosabb paraméterek -, beleértve a lézerteljesítményt, a részecskeméretet, a szkennelési sebességet és a sraffozási távolságot - hogyan befolyásolják az anyagminőséget.
Kísérleti tanulmányok révén a csapat meghatározta az optimális lézerteljesítmény-tartományt a túlzott abláció és az anyagi károk elkerülése érdekében. Azt is megállapították, hogy a finomabb porszemcsék jobb olvadékmedence-szabályozást és nagyobb alakítási pontosságot eredményeznek. Ezenkívül kimutatták, hogy a szkennelési sebesség és a sraffozási távolság módosítása csökkenti a felületi hibákat és a porozitást, javítva a minőséget és a hatékonyságot.
Végül a tanulmány a femtoszekundumos lézerek alkalmazási lehetőségeit tárgyalta a 316 literes rozsdamentes acélgyártásban, rávilágítva a jelenlegi kihívásokra és a jövőbeli kutatási irányokra.
3. Kísérleti elemzés és ábrák
3.1 USP lézerelv
Az ultrarövid impulzusú (USP) lézerek rendkívül rövid impulzus időtartamokat generálnak, jellemzően femtoszekundum (10-15 s) és pikoszekundum (10-12 s) közötti tartományban. Ezek a lézerek nemlineáris optikai hatásokra és ultragyors optikára támaszkodnak.
Az USP lézer fő alkotóeleme a rezonáns üreg, amely lézerközeget (pl. Nd:YAG vagy Ti:zafír kristály) és erősítési forrást (például lézerdiódákat vagy vakulámpákat) tartalmaz. Az erősítési folyamat stimulált emisszión keresztül megy végbe, ahol a fotonok ismételten visszaverődnek az üregben lévő tükrök között, és felerősödnek, végül erős kimeneti nyalábot alkotva.
Az USP lézerek ultrarövid impulzusidőt érnek el a nemlineáris optikai hatások, például az ön-fázismoduláció és a nemlineáris fénytörés kihasználásával. Az olyan optikai elemek, mint a frekvenciát{2}}kettőző kristályok vagy szálak, segítenek kiszélesíteni és tömöríteni az impulzusspektrumot, és elérik az impulzus időtartamát a femtoszekundumos tartományban.
1. ábra – Hőmérséklet alakulása különböző lézerteljesítményeknél
Az 1. ábra szemlélteti, hogyan változik a hőmérséklet változó lézerteljesítmény mellett.
Nagy teljesítmény (piros görbe):a hőmérséklet meghaladja az olvadási és ablációs küszöböt.
Kis teljesítmény (zöld görbe):nem megfelelő hőmérséklet az olvadáshoz.
Optimális teljesítmény (kék görbe):abláció nélküli olvasztást tesz lehetővé.
2. ábra – SEM képek durva és finom porokról
A Ceit személyre szabott gáz{0}}porlasztott fémporokat fejlesztett ki az AM számára. Kétféle port használtak:
Durva por (20-45 µm)
finom por (<20 µm)
A finom porok javították az olvadásszabályozást és a réteg egyenletességét.
3. ábra – Első réteg lerakódási folyamata
A por tapadásának fokozása érdekében az aljzatot először lézerrel{0}}kezelték a felületi érdesség növelése érdekében. A profilometrikus elemzés 3,3 µm felületi érdességet (Sa) és 51,499 µm mélységet mutatott. Ezután a rétegeket penge módszerrel hordtuk fel, egyenletes vastagságot érve el:
Durva por: 100-200 µm-es rétegek
Finom por: 50 µm-es rétegek
4. ábra – Teljesítmény hatása a durva porfeldolgozásra
Az USP lézerek használata az AM-ben kihívást jelent: a por megolvasztása abláció nélkül. A túlzott teljesítmény részecskék kilökődéséhez vagy az aljzat károsodásához vezet. A lézer teljesítményének az ablációs küszöb alá csökkentése sikeres olvasztást eredményez.
0,5 W alatti teljesítménynél a finom por változatlan marad, míg e küszöb felett a részecskék megolvadnak és nagyobb gömbökké egyesülnek.
5. ábra – Finom porok teljesítményváltozása
A teljesítmény 0,59 W-ról 0,765 W-ra történő növelése javítja az olvasztást, simább és egyenletesebb felületeket eredményez. A felületi érdesség (Sa) 3,45 µm-ről 2,58 µm-re csökkent.
6. ábra – A szkennelési sebesség hatása
0,674 W-nál és 10 µm-es sraffozási távolságnál:
A pásztázási sebesség 5 mm/s-ról 2,5 mm/s-ra csökkentése megnövelte a hőfelhalmozódást és a részecskék összeolvadását, a klaszterek megnagyobbodását és az Sa-t 5,43 µm-ről 6,75 µm-re emelték.
0,765 W-on a lassabb letapogatás simább eredményeket eredményezett (Sa ≈ 3,9–4,1 µm).
7. ábra – A teljesítmény és a sebesség együttes hatása
Magasabb teljesítményszinten (0,85–0,935 W) és 2,5 mm/s-ig lecsökkent pásztázási sebesség mellett az Sa tovább csökkent 3,5–3,8 µm-re. 1,5 mm/s alatt a túlmelegedés porszakadást és égést okozott.
8. ábra – Sraffozási távolság csökkentése
A sraffozás távolságának 7 µm-ről 5 µm-re való csökkentése jelentősen javította a felület minőségét - Sa 6,75 µm-ről 4,1 µm-re csökkent. A túl nagy távolságok egyenetlen olvadáshoz és hibaképződéshez vezettek.
9. ábra – Sraffozási távolság befolyása
Az optimális teljesítményű és sebességű ablakokon belül a sraffozási távolság csökkentése következetesen javította a felület egyenletességét, és elérte a 2–3 µm Sa-t. A sebesség beállítására volt szükség a hőfelhalmozódás kiegyensúlyozása érdekében.
10. ábra – Optimális folyamatparaméterek
A legjobb feldolgozási körülmények között nagyon egyenletes, 2,37 µm Sa-értékű olvadt felület érhető el, a következőkkel:
Lézer teljesítmény:0.775 W
Letapogatási sebesség:2,5 mm/s
Sraffozás távolsága:7.5 µm
4. Következtetés
Az USP lézerek additív gyártásban rejlő lehetőségeinek felmérése érdekében femtoszekundumos lézereket integráltak az LPBF-eljárásba, kétféle rozsdamentes{0}acélpor felhasználásával. A tanulmány arra a következtetésre jutlézer teljesítménya legkritikusabb tényező - a túlzott teljesítmény ablációt okoz, míg a túl kevés megakadályozza az olvadást.
Miután létrehozták az optimális elektromos ablakot (0,775–0,935 W), a szkennelési sebesség és a sraffozási távolság finom-hangolása tovább javította a felület simaságát. A legjobb eredményeket a következő helyen érték el:
Hatalom: 0.775–0.935 W
Letapogatási sebesség:2,5 mm/s
Sraffozás távolsága: 5–7.5 µm
Ezen optimalizált paraméterek mellett egyenletes olvadás és minimális felületi érdesség érhető el, ami megerősíti az USP lézerek megvalósíthatóságát a mikro-léptékű alkatrészek nagy-precíziós additív gyártására.
