1. Papirintroduksjon
I additiv produksjon (AM) kan ultrakort puls (USP) lasere brukes til å behandle ulike materialer og potensielt redusere størrelsen og formen på deler produsert ved hjelp av denne teknologien. Dette arbeidet viser at USP-lasere er et levedyktig alternativ til laserpulverbedfusjon (LPBF), spesielt når det kreves høyere presisjon ved fremstilling av visse kritiske deler. Studien oppnådde de ønskede resultatene ved å bruke skreddersydde-og egen-pulverpartikler i rustfritt stål, og laget konsistente firkantede lag gjennom en serie med optimaliserte prosessparametere.
Denne studien bekrefter at prosessparametere spiller en avgjørende rolle ved bruk av denne typen laser, da selv små avvik i en parameter kan føre til ufullstendig smelting. Smelting ble oppnådd ved lave pulsrepetisjonshastigheter (500 kHz) og lave gjennomsnittlige lasereffektverdier (0,5–1 W) ved å redusere skannehastigheten for å generere varmeakkumulering. Dette åpner for muligheter for ytterligere å redusere minimumsstørrelsen på deler og er betydelig ved bruk av USP-lasere i AM.
2. Fulltekstoversikt
Med utviklingen av additiv produksjonsteknologi har femtosekundlasere brede bruksmuligheter i laserbehandling av 316L rustfritt stål. Denne artikkelen oppsummerer og introduserer en forskningsartikkel om studiet av prosessparametere i femtosekund laserbehandling av 316L rustfritt stål. Hovedmålet med denne forskningen var å undersøke effekten av prosessparametere som laserkraft, pulverpartikkelstørrelse, skannehastighet og skyggelinjeavstand på kvaliteten og ytelsen til det behandlede materialet, for å optimalisere prosessforholdene.
I studien introduserte forskerteamet først egenskapene og anvendeligheten til 316L rustfritt stål og utdypet prinsippene og prosessene for femtosekund laserbehandling. Deretter fokuserte de på påvirkningen av nøkkelprosessparametere som laserkraft, pulverpartikkelstørrelse, skannehastighet og skyggelinjeavstand på prosesseringskvaliteten.
Gjennom eksperimentell forskning bestemte forskergruppen et passende lasereffektområde for å unngå overdreven ablasjon og materiell skade. De studerte også effekten av forskjellige pulverpartikkelstørrelser på prosesseringskvaliteten, og fant ut at finere pulverpartikkelstørrelser kunne oppnå bedre kontroll med smeltet basseng og høyere formingsnøyaktighet. Videre undersøkte forskerteamet effekten av skannehastighet og skyggelinjeavstand på overflatekvaliteten og prosesseringseffektiviteten til komponentene. Ved å justere skannehastigheten og skyggelinjeavstanden, reduserte de overflatedefekter og tomromsdannelse, og forbedret behandlingskvalitet og effektivitet.
Til slutt diskuterte forskerteamet bruksutsiktene for femtosekund-lasere i laserprosessering av 316L rustfritt stål, og pekte på utfordringene i nåværende forskning og fremtidige utviklingsretninger.
3. Grafisk analyse Ultrashort pulse (USP) lasere kan generere ekstremt korte pulsbredder, typisk innenfor tidsskalaen femtosekunder (10⁻¹⁵ sekunder) til pikosekunder (10⁻¹² sekunder). Prinsippet til USP-lasere er basert på optiske ikke-lineære effekter og ultrarask optikkteknologi.
Kjernekomponenten i en USP-laser er et laserresonanshulrom, som inkluderer et lasermedium (som en Nd:YAG-krystall eller en Ti:safirkrystall) og et laserforsterkningsmedium (som en laserdiode eller blitslampe) som forsterker lyset.
Laserforsterkningsprosessen oppnås gjennom stimulert emisjon. Under påvirkning av eksitasjonskilden (som en laserdiode eller blitslampe) eksiteres atomer eller ioner i lasermediet til et høyt energinivå. Når de kommer tilbake til grunntilstanden, frigjør de fotoner gjennom stimulert emisjon. Disse fotonene reflekteres frem og tilbake i resonanshulen, forsterkes av forsterkningsmediet, og danner til slutt en kraftig laserutgang.
USP-laseren er i stand til å generere ultrakorte pulser ved å utnytte de ikke-lineære effektene av lys og ultrarask optikk. I lasermediet induserer forplantningen av lys ikke-lineære effekter som selv-fasemodulasjon og optisk ikke-lineær refraksjon. Disse effektene forårsaker endringer i pulsspekteret, noe som gjør det bredere. Ved å introdusere optiske ikke-lineære elementer (som frekvens-doblingskrystaller eller optiske fibre) i resonanshulrommet, kan pulsspekteret moduleres ytterligere, begrense det og danne ultrakorte pulser.
Videre bruker USP-laseren ultrarask optikk for å oppnå pulskompresjon. Ved å bruke elementer som gitter, optiske fibre og ikke-lineære krystaller, kan pulsen komprimeres i tid, og oppnå pulsbredder i femtosekund- og pikosekundområdet.
Figur 1 viser temperaturutviklingen under forskjellige lasereffektverdier. Når effektverdien er for høy (rød kurve), overskrider temperaturen terskelen for smelting og ablasjon; mens når effektverdien er for lav (grønn kurve), når ikke temperaturen smelteterskelen. Ved optimal effektverdi (blå kurve) er temperaturen tilstrekkelig til å smelte materialet uten å forårsake ablasjon.
Ceit er i stand til å tilby spesialtilpassede metallpulver for AM. Ved å utnytte denne fordelen har Ceit begynt å bruke sine egne produserte gass-forstøvede metallpulverpartikler. For å undersøke effekten av pulverpartikkelstørrelse på resultatene, er to forskjellige pulverstørrelser valgt ut og navngitt, i rekkefølge, grovt pulver (20-45 µm partikkelstørrelsesfordeling) og fint pulver (<20µm particle size distribution) to distinguish them, as shown in Figure 2.
For å møte utfordringen med å oppnå ønsket avsetning av fint pulver, ble substratoverflaten først laserbehandlet- for å øke ruheten og forbedre adhesjonen mellom substratet og pulveret. Etter laserablasjonsprosessen ble det behandlede området profilert ved hjelp av et 3D optisk profilometer (Sensofar S Neox), noe som ga en Sa-verdi på 3,3 µm og en dybde på 51,499 µm. Et første lag ble deretter påført dette området ved å bruke et blad uten spor, slik at pulveret fylles og fester seg til underlaget. Deretter ble påfølgende lag påført ved bruk av en kombinasjon av blader med ekstra spor, og dannet strukturer opp til 250 µm tykke. Denne metoden oppnådde jevne lagtykkelser: 100 og 200 µm for grovt pulver og 50 µm for fint pulver. Pulverlakkeringsprosessen ble utført ved hjelp av et blad, som vist i figur 3.
Når du bruker USP-lasere på AM, er en stor utfordring å levere den høye energien til femtosekundlaserpulser til metallpulver for å smelte dem samtidig som ablasjon unngås. Ablasjon skjer hvis effekten er for høy eller leveringshastigheten er feil. Ablasjon kan forekomme i pulverpartiklene eller substratet. Sistnevnte fører til at partikler blir kastet ut fra behandlingsområdet inn i det omkringliggende ablerte området, som vist i figurene 4a) til c).
Ved å redusere kraften under den maksimalt akseptable verdien av ablasjonsområdet, kan en relativt rask overgang fra et fullstendig ablert substrat til ingen effekt på verken substratet eller pulveret observeres. Dette samsvarer veldig med resultatene som ble funnet av Groeningdick og Mayer i deres eksperimenter. Denne overgangen eksisterer også ved bruk av lengre pulser, men prosessvinduet er betydelig smalere ved femtosekundpulser. I forsøk med fint pulver ble det også funnet en nedre grense under hvilken pulveret er upåvirket. I dette tilfellet ble resultater tilsvarende de observert i figur 4-d) observert når effekten var under 0,5 W. Når effekten økte over denne verdien begynte pulveret å smelte, og partiklene aggregerte for å danne større kuler.
Først ble lasereffekten justert til den nedre grensen av vindusprosessen, ved å bruke effektverdier på 0,68W og 0,765W. Deretter ble skannehastigheten redusert fra 5 mm/s til lavest mulig verdi. For den første testen brukte vi 0,68W. Etter hvert som antall pulser per arealenhet økte, økte varmeakkumuleringen, metallpulveret begynte å smelte, partikler festet seg til hverandre og dannet større partikler gjennom agglomerering.
I figur 6, når skannehastigheten ble redusert til halvparten av sin opprinnelige verdi, kan vi observere en økning i partikkelstørrelse, noe som resulterer i dannelsen av større pulveragglomerater i prosessområdet. Denne økningen i størrelse førte til at Sa økte fra 5,43 µm til 6,75 µm. Omvendt, i eksperimentet utført ved 0,765W, resulterte reduksjon av skannehastigheten i en liten reduksjon i Sa fra 6,89 µm. Ved begge effektnivåene ga reduksjon av skannehastigheten bedre resultater, og reduserte Sa-verdien til 3,9–4,1 µm. Dette er fordi når hastigheten avtar, har agglomeratene en tendens til å smelte sammen til et enkelt lag, noe som resulterer i en mer jevn struktur.
