Popieriaus apžvalga
1. Įvadas
Priedų gamyboje (AM) ultratrumpųjų impulsų (USP) lazeriai leidžia apdoroti daugybę medžiagų ir suteikia galimybę sumažinti pagamintų komponentų matmenis ir sudėtingumą. Šis tyrimas parodo galimybę naudoti USP lazerius kaip alternatyvą lazerinių miltelių sluoksnio sintezės (LPBF) sistemoms, ypač gaminant svarbias dalis, kurioms reikalingas didesnis tikslumas. Naudodami pritaikytas ir savarankiškai -pagamintas nerūdijančio{{3} plieno miltelių daleles, mokslininkai pasiekė norimų rezultatų ir sėkmingai pagamino nuoseklius kvadratinius sluoksnius optimizuodami apdorojimo parametrų seriją.
Tyrimas patvirtina, kad proceso parametrai atlieka lemiamą vaidmenį naudojant USP lazerius - net ir nedideli šių parametrų nukrypimai gali sukelti nepilną lydymąsi. Sumažinus nuskaitymo greitį, kad būtų skatinamas šilumos kaupimasis, tirpimas buvo pasiektas esant žemiems impulsų pasikartojimo dažniams (500 kHz) ir mažoms vidutinėms lazerio galioms (0,5–1 W). Šis metodas suteikia galimybę dar labiau sumažinti dalių dydį, o tai yra svarbu siekiant tobulinti AM naudojant USP lazerinius šaltinius.
2. Tyrimo santrauka
Nuolat tobulinant priedų gamybą, femtosekundiniai lazeriai rodo daug žadantį potencialą apdirbti 316L nerūdijantį plieną. Šiame darbe apibendrinamas ir apžvelgiamas tyrimas apie proceso parametrų įtaką femtosekundiniu lazeriu apdorojant 316L nerūdijantį plieną. Pagrindinis tyrimo tikslas – ištirti, kaip lazerio galia, miltelių dalelių dydis, skenavimo greitis ir liuko atstumas įtakoja apdorojimo kokybę ir medžiagos našumą, siekiant optimizuoti gamybos sąlygas.
Tyrėjai pirmiausia pristatė 316L nerūdijančio plieno charakteristikas ir tinkamumą, tada išsamiai išdėstė femtosekundinio lazerio apdorojimo veikimo principą ir mechanizmus. Vėliau jie sutelkė dėmesį į tai, kaip pagrindiniai parametrai -, įskaitant lazerio galią, dalelių dydį, nuskaitymo greitį ir liuko atstumą -, turi įtakos medžiagos kokybei.
Atlikdama eksperimentinius tyrimus, komanda nustatė optimalų lazerio galios diapazoną, kad būtų išvengta per didelės abliacijos ir materialinės žalos. Jie taip pat nustatė, kad smulkesnės miltelių dalelės užtikrina geresnę lydymosi baseino kontrolę ir didesnį formavimo tikslumą. Be to, buvo įrodyta, kad nuskaitymo greičio ir liuko atstumo koregavimai sumažino paviršiaus defektus ir poringumą, pagerindami kokybę ir efektyvumą.
Galiausiai tyrime buvo aptartos femtosekundinių lazerių taikymo perspektyvos 316L nerūdijančio plieno gamyboje, išryškinant dabartinius iššūkius ir ateities tyrimų kryptis.
3. Eksperimentinė analizė ir skaičiai
3.1 USP lazerio principas
Ultrashort impulso (USP) lazeriai generuoja itin trumpą impulso trukmę, paprastai nuo femtosekundės (10⁻¹⁵ s) iki pikosekundės (10⁻¹² s). Šie lazeriai remiasi netiesiniais optiniais efektais ir itin greita optika.
Pagrindinis USP lazerio komponentas yra rezonansinė ertmė, kurioje yra lazerio terpė (pvz., Nd:YAG arba Ti:safyro kristalas) ir stiprinimo šaltinis (pvz., lazeriniai diodai arba blykstės lempos). Stiprinimo procesas vyksta per stimuliuojamą emisiją, kai fotonai pakartotinai atsispindi tarp veidrodžių ertmėje ir yra sustiprinami, galiausiai sudarydami galingą išėjimo spindulį.
USP lazeriai pasiekia itin trumpą impulsų trukmę, nes panaudoja netiesinius optinius efektus, tokius kaip savaiminė{0}}fazės moduliacija ir netiesinė refrakcija. Optiniai elementai, pvz., dažnio{2}}dvigubinimo kristalai arba skaidulos, padeda išplėsti ir suspausti impulsų spektrą, todėl impulsų trukmė yra femtosekundžių diapazone.
1 pav. Temperatūros raida esant skirtingoms lazerio galioms
1 paveiksle parodyta, kaip temperatūra kinta kintant lazerio galiai.
Didelė galia (raudona kreivė):temperatūra viršija lydymosi ir abliacijos ribas.
Maža galia (žalia kreivė):nepakankama lydymosi temperatūra.
Optimali galia (mėlyna kreivė):leidžia išlydyti be abliacijos.
2 pav. Stambių ir smulkių miltelių SEM vaizdai
Ceit sukūrė pritaikytus dujomis{0}}purškiamus metalo miltelius AM. Buvo naudojami dviejų rūšių milteliai:
stambūs milteliai (20–45 µm)
smulkūs milteliai (<20 µm)
Smulkūs milteliai pagerino lydymosi kontrolę ir sluoksnio vienodumą.
3 pav. Pirmojo sluoksnio nusodinimo procesas
Siekiant pagerinti miltelių sukibimą, substratas pirmiausia buvo{0}}apdorotas lazeriu, kad būtų padidintas paviršiaus šiurkštumas. Profilometrinė analizė parodė, kad paviršiaus šiurkštumas (Sa) yra 3,3 µm, o gylis – 51,499 µm. Tada sluoksniai buvo dedami naudojant ašmenų metodą, siekiant vienodo storio:
Stambūs milteliai: 100–200 µm sluoksniai
Smulkūs milteliai: 50 µm sluoksniai
4 pav. Galios poveikis apdorojant stambius miltelius
Naudojant USP lazerius AM yra iššūkis: ištirpinti miltelius nesukeliant abliacijos. Perteklinė galia sukelia dalelių išmetimą arba substrato pažeidimą. Lazerio galios sumažinimas žemiau abliacijos slenksčio lemia sėkmingą lydymą.
Kai galia mažesnė nei 0,5 W, smulkūs milteliai lieka nepakitę, o virš šios ribos dalelės išsilydo ir susilieja į didesnes sferas.
5 pav. Galios kitimas ant smulkių miltelių
Padidinus galią nuo 0,59 W iki 0,765 W, pagerintas lydymasis, todėl paviršiai tampa lygesni ir vienodesni. Paviršiaus šiurkštumas (Sa) sumažėjo nuo 3,45 µm iki 2,58 µm.
6 pav. Nuskaitymo greičio poveikis
Esant 0,674 W galiai ir 10 µm liuko atstumui:
Nuskaitymo greičio sumažinimas nuo 5 mm/s iki 2,5 mm/s padidino šilumos kaupimąsi ir dalelių susiliejimą, padidino sankaupas ir padidino Sa nuo 5,43 µm iki 6,75 µm.
Esant 0,765 W, lėtesnis nuskaitymas leido pasiekti sklandesnių rezultatų (Sa ≈ 3,9–4,1 µm).
7 pav. Galios ir greičio kombinuotas poveikis
Esant didesniam galios lygiui (0,85–0,935 W) ir nuskaitymo greičiui iki 2,5 mm/s, Sa dar sumažėjo iki 3,5–3,8 µm. Mažiau nei 1,5 mm/s, dėl perkaitimo milteliai plyšo ir nudegė.
8 pav. Liukų atstumo sumažinimas
Sumažinus liuko atstumą nuo 7 µm iki 5 µm, paviršiaus kokybė žymiai pagerėjo - Sa sumažėjo nuo 6,75 µm iki 4,1 µm. Per dideli atstumai lėmė netolygų tirpimą ir defektų susidarymą.
9 pav. Liuko atstumo įtaka
Optimalios galios ir greičio languose sumažinus liuko atstumą nuolat pagerėjo paviršiaus vienodumas, todėl Sa tik 2–3 µm. Norint subalansuoti šilumos kaupimąsi, reikėjo reguliuoti greitį.
10 pav. – Optimalūs proceso parametrai
Geriausia apdorojimo sąlyga pasiekė labai vienodą išlydytą paviršių, kurio Sa 2,37 µm, naudojant:
Lazerio galia:0.775 W
Nuskaitymo greitis:2,5 mm/s
Liukų atstumas:7.5 µm
4. Išvada
Siekiant įvertinti USP lazerių potencialą priedų gamyboje, femtosekundiniai lazeriai buvo integruoti į LPBF procesą, naudojant dviejų tipų nerūdijančio{0} plieno miltelius. Tyrimas daro išvadą, kadlazerio galiayra svarbiausias veiksnys - per didelė galia sukelia abliaciją, o per maža neleidžia tirpti.
Nustačius optimalų maitinimo langą (0,775–0,935 W), tiksliai-sureguliavus nuskaitymo greitį ir liuko atstumą, paviršius dar labiau lygus. Geriausi rezultatai pasiekti:
Galia: 0.775–0.935 W
Nuskaitymo greitis:2,5 mm/s
Liukų atstumas: 5–7.5 µm
Taikant šiuos optimizuotus parametrus, buvo pasiektas tolygus lydymasis ir minimalus paviršiaus šiurkštumas, patvirtinantis USP lazerių tinkamumą didelio{0}}tikslumo priedams gaminti mikro- masto komponentus.
