1. Introducere lucrare
În fabricarea aditivă (AM), laserele cu impulsuri ultrascurte (USP) pot fi utilizate pentru a procesa diverse materiale și pot reduce dimensiunea și forma pieselor fabricate folosind această tehnologie. Această lucrare demonstrează că laserele USP sunt o alternativă viabilă la fuziunea cu strat de pulbere cu laser (LPBF), mai ales atunci când este necesară o precizie mai mare la fabricarea anumitor piese critice. Studiul a obținut rezultatele dorite folosind particule de pulbere din oțel inoxidabil-fabricate personalizat și auto{3}} și a fabricat straturi pătrate consistente printr-o serie de parametri optimizați de proces.
Acest studiu confirmă faptul că parametrii procesului joacă un rol crucial atunci când se utilizează acest tip de laser, deoarece chiar și mici abateri ale oricărui parametru pot duce la topirea incompletă. Topirea a fost realizată la rate scăzute de repetare a impulsurilor (500 kHz) și la valori medii scăzute ale puterii laser (0,5–1 W) prin reducerea vitezei de scanare pentru a genera acumulare de căldură. Acest lucru deschide posibilități pentru reducerea în continuare a dimensiunii minime a pieselor și este semnificativ atunci când se utilizează lasere USP în AM.
2. Prezentare generală a textului integral
Odată cu dezvoltarea tehnologiei de fabricație aditivă, laserele femtosecunde au perspective largi de aplicare în prelucrarea cu laser a oțelului inoxidabil 316L. Această lucrare rezumă și introduce o lucrare de cercetare privind studiul parametrilor de proces în procesarea laser femtosecundă a oțelului inoxidabil 316L. Obiectivul principal al acestei cercetări a fost acela de a investiga efectele parametrilor de proces precum puterea laserului, dimensiunea particulelor de pulbere, viteza de scanare și distanța liniei de umbră asupra calității și performanței materialului prelucrat, pentru a optimiza condițiile de procesare.
În cadrul studiului, echipa de cercetare a introdus mai întâi caracteristicile și aplicabilitatea oțelului inoxidabil 316L și a elaborat principiile și procesele de prelucrare cu laser femtosecundă. Ulterior, s-au concentrat asupra influenței parametrilor cheie ai procesului, cum ar fi puterea laserului, dimensiunea particulelor de pulbere, viteza de scanare și distanța liniei de umbră asupra calității procesării.
Prin cercetări experimentale, echipa de cercetare a determinat o gamă de putere laser adecvată pentru a evita ablația excesivă și deteriorarea materială. Ei au studiat, de asemenea, efectul diferitelor dimensiuni ale particulelor de pulbere asupra calității procesării, constatând că dimensiunile mai fine ale particulelor de pulbere ar putea obține un control mai bun al piscinei topite și o precizie mai mare de formare. În plus, echipa de cercetare a explorat efectele vitezei de scanare și ale distanței liniei de umbră asupra calității suprafeței și eficienței de procesare a componentelor. Prin ajustarea vitezei de scanare și a distanței liniei de umbră, acestea au redus cu succes defectele de suprafață și formarea de goluri și au îmbunătățit calitatea și eficiența procesării.
În cele din urmă, echipa de cercetare a discutat despre perspectivele de aplicare a laserelor femtosecunde în procesarea cu laser a oțelului inoxidabil 316L și a subliniat provocările din cercetarea actuală și direcțiile de dezvoltare viitoare.
3. Analiză grafică Laserele cu impuls ultrascurt (USP) pot genera lățimi de impuls extrem de scurte, de obicei în intervalul de timp de la femtosecunde (10⁻¹⁵ secunde) până la picosecunde (10⁻¹² secunde). Principiul laserelor USP se bazează pe efecte optice neliniare și tehnologie optică ultrarapidă.
Componenta de bază a unui laser USP este o cavitate rezonantă laser, care include un mediu laser (cum ar fi un cristal Nd:YAG sau un cristal Ti:safir) și un mediu de câștig laser (cum ar fi o diodă laser sau o lampă bliț) care amplifică lumina.
Procesul de amplificare cu laser se realizează prin emisie stimulată. Sub acțiunea sursei de excitație (cum ar fi o diodă laser sau o lampă flash), atomii sau ionii din mediul laser sunt excitați la un nivel ridicat de energie. Când revin la starea fundamentală, ei eliberează fotoni prin emisie stimulată. Acești fotoni sunt reflectați înainte și înapoi în cavitatea rezonantă, amplificați de mediul de câștig și în cele din urmă formează o ieșire laser puternică.
Laserul USP este capabil să genereze impulsuri ultrascurte utilizând efectele neliniare ale luminii și ale opticii ultrarapide. În mediul laser, propagarea luminii induce efecte neliniare, cum ar fi auto-modularea de fază și refracția optică neliniară. Aceste efecte provoacă modificări în spectrul pulsului, făcându-l mai larg. Prin introducerea unor elemente optice neliniare (cum ar fi cristale de dublare a frecvenței-sau fibre optice) în cavitatea rezonantă, spectrul pulsului poate fi modulat în continuare, îngustându-l și formând impulsuri ultrascurte.
În plus, laserul USP utilizează optică ultrarapidă pentru a obține compresia pulsului. Folosind elemente precum rețele, fibre optice și cristale neliniare, pulsul poate fi comprimat în timp, obținând lățimi ale impulsului în intervalul femtosecundă și picosecundă.
Figura 1 prezintă evoluția temperaturii sub diferite valori ale puterii laserului. Când valoarea puterii este prea mare (curba roșie), temperatura depășește pragul de topire și ablație; în timp ce atunci când valoarea puterii este prea mică (curba verde), temperatura nu atinge pragul de topire. La valoarea optimă a puterii (curba albastră), temperatura este suficientă pentru a topi materialul fără a provoca ablația.
Ceit este capabil să furnizeze pulberi metalice personalizate pentru AM. Profitând de acest avantaj, Ceit a început să folosească propriile particule de pulbere metalică atomizată cu gaz-produse. Pentru a investiga efectul dimensiunii particulelor de pulbere asupra rezultatelor, au fost selectate două dimensiuni diferite de pulbere și au fost denumite, în ordine, pulbere grosieră (distribuția dimensiunii particulelor 20-45 µm) și pulbere fină (<20µm particle size distribution) to distinguish them, as shown in Figure 2.
Pentru a face față provocării de a obține depunerea de pulbere fină dorită, suprafața substratului a fost mai întâi tratată cu laser-pentru a-și crește rugozitatea și pentru a îmbunătăți aderența dintre substrat și pulbere. În urma procesului de ablație cu laser, zona tratată a fost profilată folosind un profilometru optic 3D (Sensofar S Neox), dând o valoare Sa de 3,3 µm și o adâncime de 51,499 µm. Un prim strat a fost apoi aplicat pe această zonă folosind o lamă fără caneluri, permițând pudrei să se umple și să adere la substrat. Ulterior, straturile ulterioare au fost aplicate folosind o combinație de lame cu caneluri adăugate, formând structuri de până la 250 µm grosime. Această metodă a obținut grosimi uniforme ale stratului: 100 și 200 µm pentru pulberile grosiere și 50 µm pentru pulberile fine. Procesul de acoperire cu pulbere a fost efectuat folosind o lamă, așa cum se arată în Figura 3.
Când se aplică lasere USP la AM, o provocare majoră este livrarea energiei ridicate a impulsurilor laser de femtosecunde către pulberile metalice pentru a le topi, evitând în același timp ablația. Ablația are loc dacă puterea este prea mare sau rata de livrare este incorectă. Ablația poate avea loc în particulele de pulbere sau în substrat. Acesta din urmă face ca particulele să fie ejectate din zona de procesare în zona de ablație înconjurătoare, așa cum se arată în figurile 4a) până la c).
Prin reducerea puterii sub valoarea maximă acceptabilă a intervalului de ablație, se poate observa o tranziție relativ rapidă de la un substrat complet ablat la niciun efect nici asupra substratului, nici asupra pulberii. Acest lucru este foarte în concordanță cu rezultatele găsite de Groeningdick și Mayer în experimentele lor. Această tranziție există și atunci când se utilizează impulsuri mai lungi, dar fereastra procesului este semnificativ mai îngustă în cazul impulsurilor femtosecunde. În experimentele cu pulberi fine, a fost găsită și o limită inferioară sub care pulberea nu este afectată. În acest caz, rezultate similare cu cele observate în Figura 4-d) au fost observate când puterea a fost sub 0,5 W. Când puterea a crescut peste această valoare, pulberea a început să se topească, iar particulele s-au agregat pentru a forma sfere mai mari.
În primul rând, puterea laserului a fost ajustată la limita inferioară a procesului ferestrei, folosind valori de putere de 0,68 W și 0,765 W. Apoi, viteza de scanare a fost redusă de la 5 mm/s la cea mai mică valoare posibilă. Pentru primul test, am folosit 0,68 W. Pe măsură ce numărul de impulsuri pe unitate de suprafață a crescut, acumularea de căldură a crescut, pulberea de metal a început să se topească, particulele au aderat între ele și au format particule mai mari prin aglomerare.
În Figura 6, când viteza de scanare a fost redusă la jumătate din valoarea sa inițială, putem observa o creștere a dimensiunii particulelor, ducând la formarea de aglomerate de pulbere mai mari în zona procesului. Această creștere a dimensiunii a făcut ca Sa să crească de la 5,43 µm la 6,75 µm. În schimb, în experimentul efectuat la 0,765 W, reducerea vitezei de scanare a dus la o scădere ușoară a Sa de la 6,89 µm. La ambele niveluri de putere, reducerea vitezei de scanare a dat rezultate mai bune, reducând valoarea Sa la 3,9–4,1 µm. Acest lucru se datorează faptului că, pe măsură ce viteza scade, aglomeratele tind să se unească într-un singur strat, rezultând o structură mai uniformă.
