1. Вступ до статті
У адитивному виробництві (AM) лазери ультракороткого імпульсу (USP) можна використовувати для обробки різних матеріалів і потенційного зменшення розміру та форми деталей, виготовлених за цією технологією. Ця робота демонструє, що лазери USP є життєздатною альтернативою лазерному плавленню порошкового шару (LPBF), особливо коли потрібна висока точність у виробництві певних критичних деталей. Дослідження досягло бажаних результатів, використовуючи частинки порошку з нержавіючої сталі-виготовлених на замовлення та-власноруч, і створило послідовні квадратні шари за допомогою серії оптимізованих параметрів процесу.
Це дослідження підтверджує, що параметри процесу відіграють вирішальну роль при використанні цього типу лазера, оскільки навіть невеликі відхилення будь-якого параметра можуть призвести до неповного плавлення. Плавлення досягалося при низьких частотах повторення імпульсів (500 кГц) і низьких середніх значеннях потужності лазера (0,5-1 Вт) за рахунок зниження швидкості сканування для накопичення тепла. Це відкриває можливості для подальшого зменшення мінімального розміру деталей і є суттєвим при використанні лазерів USP в AM.
2. Огляд повного тексту
З розвитком технології адитивного виробництва фемтосекундні лазери мають широкі перспективи застосування в лазерній обробці нержавіючої сталі 316L. Ця стаття підсумовує та представляє дослідницьку статтю з вивчення параметрів процесу фемтосекундної лазерної обробки нержавіючої сталі 316L. Основною метою цього дослідження було дослідити вплив параметрів процесу, таких як потужність лазера, розмір частинок порошку, швидкість сканування та відстань лінії тіні, на якість і продуктивність обробленого матеріалу, щоб оптимізувати умови обробки.
У дослідженні дослідницька група вперше представила характеристики та застосування нержавіючої сталі 316L і детально розповіла про принципи та процеси обробки фемтосекундним лазером. Згодом вони зосередилися на впливі ключових параметрів процесу, таких як потужність лазера, розмір частинок порошку, швидкість сканування та відстань тіньової лінії на якість обробки.
Завдяки експериментальним дослідженням дослідницька група визначила відповідний діапазон потужності лазера, щоб уникнути надмірної абляції та пошкодження матеріалу. Вони також досліджували вплив різних розмірів частинок порошку на якість обробки, виявивши, що дрібніші розміри частинок порошку можуть досягти кращого контролю розплавленої ванни та вищої точності формування. Крім того, дослідницька група досліджувала вплив швидкості сканування та відстані тіньових ліній на якість поверхні та ефективність обробки компонентів. Завдяки регулюванню швидкості сканування та відстані лінії тіні вони успішно зменшили дефекти поверхні та утворення пустот, а також покращили якість і ефективність обробки.
Нарешті, дослідницька група обговорила перспективи застосування фемтосекундних лазерів у лазерній обробці нержавіючої сталі 316L і вказала на проблеми поточних досліджень і майбутні напрямки розвитку.
3. Графічний аналіз. Лазери з ультракоротким імпульсом (USP) можуть генерувати надзвичайно короткі імпульси, як правило, у часовому масштабі від фемтосекунд (10⁻¹⁵ секунд) до пікосекунд (10⁻¹² секунд). Принцип дії лазерів USP заснований на оптичних нелінійних ефектах і технології надшвидкої оптики.
Основним компонентом USP-лазера є лазерний резонансний резонатор, який включає лазерне середовище (наприклад, кристал Nd:YAG або кристал Ti:сапфір) і середовище лазерного підсилення (таке як лазерний діод або лампа-спалах), яке підсилює світло.
Процес лазерного посилення досягається за рахунок стимульованого випромінювання. Під дією джерела збудження (такого як лазерний діод або спалах) атоми або іони в лазерному середовищі збуджуються до високого рівня енергії. Коли вони повертаються до основного стану, вони випускають фотони через стимульоване випромінювання. Ці фотони відбиваються туди-сюди в резонансній порожнині, посилюються підсилювальним середовищем і, нарешті, утворюють потужний вихід лазера.
Лазер USP здатний генерувати ультракороткі імпульси, використовуючи нелінійні ефекти світла та надшвидкої оптики. У лазерному середовищі поширення світла викликає нелінійні ефекти, такі як само-фазова модуляція та оптичне нелінійне заломлення. Ці ефекти викликають зміни в спектрі імпульсів, роблячи його ширшим. Вводячи оптичні нелінійні елементи (такі як кристали-подвоєння частоти або оптичні волокна) у резонансну порожнину, спектр імпульсу можна додатково модулювати, звужуючи його та формуючи ультракороткі імпульси.
Крім того, лазер USP використовує надшвидку оптику для досягнення стиснення імпульсу. Використовуючи такі елементи, як решітки, оптичні волокна та нелінійні кристали, імпульс можна стискати в часі, досягаючи ширини імпульсу в фемтосекундному та пікосекундному діапазоні.
На малюнку 1 показано зміну температури при різних значеннях потужності лазера. Коли значення потужності занадто високе (червона крива), температура перевищує поріг для плавлення та абляції; коли значення потужності занадто низьке (зелена крива), температура не досягає порогу плавлення. При оптимальному значенні потужності (блакитна крива) температури достатньо, щоб розплавити матеріал, не викликаючи абляції.
Ceit може надати спеціальні металеві порошки для AM. Користуючись цією перевагою, компанія Ceit почала використовувати частинки металевого порошку власного виробництва-. Щоб дослідити вплив розміру частинок порошку на результати, було вибрано два різні розміри порошку та названо їх по порядку: грубий порошок (розподіл частинок за розміром 20-45 мкм) і дрібний порошок (<20µm particle size distribution) to distinguish them, as shown in Figure 2.
Щоб вирішити проблему досягнення бажаного тонкодисперсного осадження порошку, поверхню підкладки спочатку було-оброблено лазером, щоб збільшити шорсткість і покращити адгезію між підкладкою та порошком. Після процесу лазерної абляції оброблену ділянку було спрофільовано за допомогою 3D оптичного профілометра (Sensofar S Neox), що дало значення Sa 3,3 мкм і глибину 51,499 мкм. Потім на цю ділянку було нанесено перший шар за допомогою леза без канавок, що дозволило порошку заповнити та прилипнути до основи. Згодом наступні шари наносили за допомогою комбінації лез із доданими канавками, утворюючи структури товщиною до 250 мкм. Цей метод досягав рівномірної товщини шару: 100 і 200 мкм для грубих порошків і 50 мкм для тонких порошків. Процес нанесення порошкового покриття проводився за допомогою леза, як показано на малюнку 3.
Під час застосування лазерів USP до АМ головною проблемою є доставка високої енергії фемтосекундних лазерних імпульсів до металевих порошків, щоб розплавити їх, уникаючи абляції. Абляція відбувається, якщо потужність занадто висока або швидкість доставки неправильна. Абляція може відбуватися в частинках порошку або підкладці. Останнє призводить до того, що частинки викидаються із зони обробки в навколишню абляційну область, як показано на малюнках 4a)-c).
Знижуючи потужність нижче максимально прийнятного значення діапазону абляції, можна спостерігати відносно швидкий перехід від повністю видаленої підкладки до відсутності впливу ні на підкладку, ні на порошок. Це дуже узгоджується з результатами, отриманими Гронінгдіком і Майєром у їхніх експериментах. Цей перехід також існує при використанні довших імпульсів, але вікно процесу значно вужче у випадку фемтосекундних імпульсів. В експериментах з використанням дрібних порошків також було знайдено нижню межу, нижче якої порошок не змінюється. У цьому випадку результати, подібні до тих, що спостерігаються на малюнку 4-d), спостерігалися, коли потужність була нижче 0,5 Вт. Коли потужність зросла вище цього значення, порошок почав плавитися, а частинки агрегувалися, утворюючи більші сфери.
Спочатку потужність лазера була налаштована на нижню межу віконного процесу, використовуючи значення потужності 0,68 Вт і 0,765 Вт. Потім швидкість сканування зменшили з 5 мм/с до мінімально можливого значення. Для першого тесту ми використали 0,68 Вт. Коли кількість імпульсів на одиницю площі зростала, накопичення тепла збільшувалося, металевий порошок почав плавитися, частинки прилипали одна до одної та утворювали більші частинки через агломерацію.
На малюнку 6, коли швидкість сканування було зменшено до половини початкового значення, ми можемо спостерігати збільшення розміру частинок, що призводить до утворення більших порошкових агломератів у зоні процесу. Це збільшення розміру спричинило збільшення Sa з 5,43 мкм до 6,75 мкм. Навпаки, в експерименті, проведеному при потужності 0,765 Вт, зменшення швидкості сканування призвело до незначного зниження Sa з 6,89 мкм. На обох рівнях потужності зменшення швидкості сканування дало кращі результати, зменшивши значення Sa до 3,9–4,1 мкм. Це пояснюється тим, що зі зменшенням швидкості агломерати мають тенденцію об’єднуватися в один шар, що призводить до більш однорідної структури.
