1. Popierinis įvadas
Priedų gamyboje (AM) ultratrumpųjų impulsų (USP) lazeriai gali būti naudojami įvairioms medžiagoms apdoroti ir potencialiai sumažinti detalių, pagamintų naudojant šią technologiją, dydį ir formą. Šis darbas parodo, kad USP lazeriai yra perspektyvi alternatyva lazerinio miltelių sluoksnio sintezei (LPBF), ypač kai reikia didesnio tikslumo gaminant tam tikras svarbias dalis. Atliekant tyrimą buvo pasiekti norimi rezultatai naudojant pagal užsakymą -pagamintas ir savadarbes-nerūdijančio plieno miltelių daleles ir pagamintus nuoseklius kvadratinius sluoksnius taikant optimizuotus proceso parametrus.
Šis tyrimas patvirtina, kad proceso parametrai atlieka lemiamą vaidmenį naudojant tokio tipo lazerį, nes net ir nedideli bet kurio parametro nukrypimai gali lemti nepilną lydymąsi. Lydymasis buvo pasiektas esant mažam impulsų pasikartojimo dažniui (500 kHz) ir mažoms vidutinėms lazerio galios vertėms (0,5–1 W), sumažinus nuskaitymo greitį, kad susidarytų šiluma. Tai atveria galimybes dar labiau sumažinti minimalų dalių dydį ir yra reikšminga naudojant USP lazerius AM.
2. Pilna teksto apžvalga
Tobulėjant priedų gamybos technologijoms, femtosekundiniai lazeriai turi plačias taikymo perspektyvas apdorojant 316L nerūdijantį plieną. Šiame darbe apibendrinamas ir pristatomas tyrimo darbas apie proceso parametrų tyrimą femtosekundiniu lazeriu apdorojant 316L nerūdijantį plieną. Pagrindinis šio tyrimo tikslas buvo ištirti proceso parametrų, tokių kaip lazerio galia, miltelių dalelių dydis, skenavimo greitis ir šešėlių linijos atstumas, poveikį apdirbamos medžiagos kokybei ir našumui, siekiant optimizuoti apdorojimo sąlygas.
Tyrimo metu mokslininkų grupė pirmiausia pristatė 316L nerūdijančio plieno charakteristikas ir pritaikomumą bei išplėtojo femtosekundinio lazerio apdorojimo principus ir procesus. Vėliau jie sutelkė dėmesį į pagrindinių proceso parametrų, tokių kaip lazerio galia, miltelių dalelių dydis, nuskaitymo greitis ir šešėlių linijos atstumas, įtaką apdorojimo kokybei.
Atlikdama eksperimentinius tyrimus, tyrėjų komanda nustatė tinkamą lazerio galios diapazoną, kad būtų išvengta per didelės abliacijos ir materialinės žalos. Jie taip pat ištyrė skirtingų miltelių dalelių dydžių poveikį apdorojimo kokybei ir nustatė, kad smulkesni miltelių dalelių dydžiai gali pasiekti geresnę išlydyto baseino kontrolę ir didesnį formavimo tikslumą. Be to, tyrimo grupė ištyrė nuskaitymo greičio ir šešėlių linijos atstumo poveikį paviršiaus kokybei ir komponentų apdorojimo efektyvumui. Reguliuodami nuskaitymo greitį ir šešėlių linijos atstumą, jie sėkmingai sumažino paviršiaus defektus ir tuštumų susidarymą bei pagerino apdorojimo kokybę ir efektyvumą.
Galiausiai tyrėjų grupė aptarė femtosekundinių lazerių taikymo perspektyvas apdorojant 316L nerūdijantį plieną lazeriu ir atkreipė dėmesį į iššūkius dabartiniuose tyrimuose ir ateities plėtros kryptyse.
3. Grafinė analizė Ultrashort impulss (USP) lazeriai gali generuoti ypač trumpą impulsų plotį, paprastai nuo femtosekundžių (10⁻¹⁵ sekundžių) iki pikosekundžių (10⁻¹² sekundžių). USP lazerių veikimo principas pagrįstas optiniais netiesiniais efektais ir itin greitos optikos technologija.
Pagrindinis USP lazerio komponentas yra lazerio rezonansinė ertmė, kurią sudaro lazerio terpė (pvz., Nd:YAG kristalas arba Ti:safyro kristalas) ir lazerio stiprinimo terpė (pvz., Lazerinis diodas arba blykstės lempa), kuri sustiprina šviesą.
Lazerio stiprinimo procesas pasiekiamas naudojant stimuliuojamą emisiją. Veikiant sužadinimo šaltiniui (pvz., lazeriniam diodui ar blykstės lempai), lazerio terpėje esantys atomai arba jonai sužadinami iki didelio energijos lygio. Kai jie grįžta į pradinę būseną, jie išskiria fotonus per stimuliuojamą emisiją. Šie fotonai atsispindi pirmyn ir atgal rezonansinėje ertmėje, sustiprinami stiprinimo terpės ir galiausiai sudaro galingą lazerio išvestį.
USP lazeris gali generuoti itin trumpus impulsus, naudodamas netiesinį šviesos ir itin greitos optikos poveikį. Lazerinėje terpėje šviesos sklidimas sukelia netiesinius efektus, tokius kaip savaiminė{1}}fazės moduliacija ir optinė netiesinė refrakcija. Šie poveikiai sukelia impulsų spektro pokyčius, todėl jis tampa platesnis. Į rezonansinę ertmę įvedant optinius netiesinius elementus (tokius kaip dažnio -dvigubinimo kristalai arba optinės skaidulos), impulsų spektras gali būti toliau moduliuojamas, susiaurinant jį ir sukuriant itin trumpus impulsus.
Be to, USP lazeris naudoja itin greitą optiką impulsų suspaudimui pasiekti. Naudojant tokius elementus kaip grotelės, optinės skaidulos ir netiesiniai kristalai, impulsas gali būti suspaustas laiku ir pasiekti impulsų plotį femtosekundžių ir pikosekundžių diapazone.
1 paveiksle parodyta temperatūros raida esant skirtingoms lazerio galios vertėms. Kai galios vertė per didelė (raudona kreivė), temperatūra viršija lydymosi ir abliacijos slenkstį; o kai galios vertė per maža (žalia kreivė), temperatūra nepasiekia lydymosi slenksčio. Esant optimaliai galios vertei (mėlyna kreivė), temperatūra yra pakankama, kad medžiaga ištirptų nesukeliant abliacijos.
Ceit gali tiekti individualius metalo miltelius AM. Išnaudodama šį pranašumą, „Ceit“ pradėjo naudoti savo pagamintas dujomis{1}}purkštas metalo miltelių daleles. Norint ištirti miltelių dalelių dydžio įtaką rezultatams, buvo pasirinkti du skirtingi miltelių dydžiai ir pavadinti stambiais milteliais (20–45 µm dalelių dydžio pasiskirstymas) ir smulkiais milteliais (<20µm particle size distribution) to distinguish them, as shown in Figure 2.
Siekiant išspręsti norimą smulkių miltelių nusodinimo iššūkį, pagrindo paviršius pirmiausia buvo apdorotas lazeriu{0}}, siekiant padidinti jo šiurkštumą ir sustiprinti pagrindo ir miltelių sukibimą. Po lazerinės abliacijos proceso apdorota sritis buvo profiliuojama naudojant 3D optinį profilometrą (Sensofar S Neox), todėl Sa vertė buvo 3,3 µm, o gylis – 51,499 µm. Tada ant šios vietos buvo padengtas pirmasis sluoksnis, naudojant ašmenis be griovelių, leidžiančius milteliams užpildyti ir prilipti prie pagrindo. Vėliau buvo dedami vėlesni sluoksniai, naudojant peilių derinį su pridėtais grioveliais, sudarant struktūras iki 250 µm storio. Šiuo metodu buvo pasiektas vienodas sluoksnio storis: 100 ir 200 µm stambiems milteliams ir 50 µm smulkiems milteliams. Miltelinio dažymo procesas buvo atliktas naudojant peiliuką, kaip parodyta 3 paveiksle.
Taikant USP lazerius AM, pagrindinis iššūkis yra perduoti didelę femtosekundžių lazerio impulsų energiją į metalo miltelius, kad jie ištirptų ir išvengta abliacijos. Abliacija įvyksta, jei galia yra per didelė arba tiekimo greitis yra netinkamas. Abliacija gali įvykti miltelių dalelėse arba substrate. Dėl pastarosios dalelės iš apdorojimo srities išstumiamos į aplinkinę pašalintą sritį, kaip parodyta 4a)–c paveiksluose).
Sumažinus galią žemiau maksimalios priimtinos abliacijos diapazono vertės, galima pastebėti santykinai greitą perėjimą nuo visiškai pašalinto substrato iki jokio poveikio nei substratui, nei milteliams. Tai labai atitinka Groeningdicko ir Mayerio eksperimentų rezultatus. Šis perėjimas taip pat egzistuoja naudojant ilgesnius impulsus, tačiau proceso langas yra žymiai siauresnis femtosekundžių impulsų atveju. Eksperimentuose su smulkiais milteliais taip pat buvo nustatyta apatinė riba, žemiau kurios milteliai nepaveikiami. Šiuo atveju rezultatai, panašūs į tuos, kurie buvo pastebėti 4-d paveiksle, buvo pastebėti, kai galia buvo mažesnė nei 0,5 W. Kai galia padidėjo virš šios vertės, milteliai pradėjo tirpti, o dalelės agregavosi, sudarydamos didesnes sferas.
Pirmiausia lazerio galia buvo pritaikyta prie apatinės lango proceso ribos, naudojant 0,68 W ir 0, 765 W galios vertes. Tada nuskaitymo greitis buvo sumažintas nuo 5 mm/s iki mažiausios galimos vertės. Pirmajam bandymui naudojome 0,68 W. Didėjant impulsų skaičiui ploto vienete, didėjo šilumos akumuliacija, metalo milteliai pradėjo tirpti, dalelės prilipo viena prie kitos ir aglomeruojant susidarė didesnės dalelės.
6 paveiksle, kai nuskaitymo greitis buvo sumažintas iki pusės pradinės vertės, galime stebėti dalelių dydžio padidėjimą, todėl proceso srityje susidaro didesni miltelių aglomeratai. Dėl šio dydžio padidėjimo Sa padidėjo nuo 5,43 µm iki 6,75 µm. Ir atvirkščiai, eksperimente, atliktame esant 0,765 W, sumažinus nuskaitymo greitį, Sa šiek tiek sumažėjo nuo 6,89 µm. Abiem galios lygiais sumažinus nuskaitymo greitį buvo gauti geresni rezultatai, sumažinant Sa reikšmę iki 3,9–4,1 µm. Taip yra todėl, kad mažėjant greičiui aglomeratai linkę susijungti į vieną sluoksnį, todėl struktūra tampa vienodesnė.
