Papiroversikt
1. Introduksjon
I additiv produksjon (AM) muliggjør ultrakort puls (USP) lasere behandling av et bredt spekter av materialer og tilbyr potensiale for å redusere dimensjonene og kompleksiteten til fabrikerte komponenter. Denne studien demonstrerer muligheten for å bruke USP-lasere som et alternativ til Laser Powder Bed Fusion (LPBF)-systemer, spesielt for produksjon av kritiske deler som krever høyere presisjon. Ved å bruke tilpassede og egenproduserte rustfrie-pulverpartikler i rustfritt stål oppnådde forskerne de ønskede resultatene og lykkes med å produsere konsistente firkantede lag ved å optimalisere en rekke prosessparametere.
Studien bekrefter at prosessparametere spiller en kritisk rolle ved bruk av USP-lasere - selv mindre avvik i disse parameterne kan føre til ufullstendig smelting. Ved å redusere skannehastigheten for å fremme varmeakkumulering, ble smelting oppnådd ved lave pulsrepetisjonsfrekvenser (500 kHz) og lave gjennomsnittlige lasereffekter (0,5–1 W). Denne tilnærmingen gir potensialet til å minimere delstørrelsen ytterligere, noe som er viktig for å fremme AM ved bruk av USP-laserkilder.
2. Sammendrag av studien
Med den kontinuerlige utviklingen av additiv produksjon viser femtosekundlasere et lovende potensiale for å behandle 316L rustfritt stål. Denne artikkelen oppsummerer og gjennomgår en studie om påvirkningen av prosessparametere i femtosekund laserbehandling av 316L rustfritt stål. Hovedmålet med forskningen er å undersøke hvordan laserkraft, pulverpartikkelstørrelse, skannehastighet og lukeavstand påvirker prosesskvalitet og materialytelse, for å optimalisere produksjonsforholdene.
Forskerne introduserte først egenskapene og egnetheten til 316L rustfritt stål, og beskrev deretter arbeidsprinsippet og mekanismene for femtosekund laserbehandling. Deretter fokuserte de på hvordan nøkkelparametere - inkludert laserkraft, partikkelstørrelse, skannehastighet og skraveringsavstand - påvirker materialkvaliteten.
Gjennom eksperimentelle studier identifiserte teamet et optimalt lasereffektområde for å forhindre overdreven ablasjon og materiell skade. De fant også at finere pulverpartikler fører til bedre smeltebassengkontroll og høyere formingsnøyaktighet. Dessuten ble justeringer i skannehastighet og lukeavstand vist å redusere overflatedefekter og porøsitet, og forbedre både kvalitet og effektivitet.
Til slutt diskuterte studien bruksutsiktene til femtosekund-lasere i 316L-fremstilling av rustfritt stål, og fremhevet nåværende utfordringer og fremtidige forskningsretninger.
3. Eksperimentell analyse og figurer
3.1 USP-laserprinsipp
Ultrashort pulse (USP) lasere genererer ekstremt korte pulsvarigheter, typisk i femtosekund (10⁻¹⁵ s) til picosecond (10⁻¹² s) rekkevidde. Disse laserne er avhengige av ikke-lineære optiske effekter og ultrarask optikk.
Kjernekomponenten i en USP-laser er resonanshulrommet, som inneholder et lasermedium (f.eks. Nd:YAG eller Ti:safirkrystall) og en forsterkningskilde (som laserdioder eller blitslamper). Forsterkningsprosessen skjer gjennom stimulert emisjon, hvor fotoner gjentatte ganger reflekteres mellom speil i hulrommet og forsterkes, og til slutt danner en kraftig utgangsstråle.
USP-lasere oppnår ultrakorte pulsvarigheter ved å utnytte ikke-lineære optiske effekter som selv-fasemodulasjon og ikke-lineær refraksjon. Optiske elementer som frekvens-doblingskrystaller eller fibre hjelper til med å utvide og komprimere pulsspekteret, og når pulsvarigheter i femtosekundområdet.
Figur 1 – Temperaturutvikling ved forskjellige lasereffekter
Figur 1 illustrerer hvordan temperaturen endres med varierende lasereffekt.
Høy effekt (rød kurve):temperaturen overstiger smelte- og ablasjonsterskelene.
Lav effekt (grønn kurve):utilstrekkelig temperatur for smelting.
Optimal effekt (blå kurve):muliggjør smelting uten ablasjon.
Figur 2 – SEM-bilder av grove og fine pulvere
Ceit utviklet tilpassede gass-atomiserte metallpulvere for AM. To typer pulver ble brukt:
Grovt pulver (20–45 µm)
fint pulver (<20 µm)
Fine pulvere oppnådde forbedret smeltekontroll og jevnhet i laget.
Figur 3 – Første lags deponeringsprosess
For å forbedre pulvervedheften ble substratet først laserbehandlet- for å øke overflateruheten. Profilometrisk analyse viste en overflateruhet (Sa) på 3,3 µm og en dybde på 51,499 µm. Lag ble deretter påført ved å bruke en bladmetode, og oppnå jevn tykkelse:
Grovt pulver: 100–200 µm lag
Fint pulver: 50 µm lag
Figur 4 – Effekteffekt på grovpulverbehandling
Å bruke USP-lasere i AM byr på en utfordring: å smelte pulveret uten å forårsake ablasjon. Overflødig kraft fører til partikkelutkast eller skade på underlaget. Å redusere laserkraften under ablasjonsterskelen resulterer i vellykket smelting.
Ved effekter under 0,5 W forblir det fine pulveret upåvirket, mens over denne terskelen smelter partikler og smelter sammen til større kuler.
Figur 5 – Effektvariasjon på fine pulver
Økende kraft fra 0,59 W til 0,765 W forbedret smelting, og produserer jevnere og jevnere overflater. Overflateruheten (Sa) ble redusert fra 3,45 µm til 2,58 µm.
Figur 6 – Effekt av skannehastighet
Ved 0,674 W og 10 µm lukeavstand:
Redusering av skannehastighet fra 5 mm/s til 2,5 mm/s økte varmeakkumulering og partikkelsammensmelting, forstørre klynger og heve Sa fra 5,43 µm til 6,75 µm.
Ved 0,765 W førte langsommere skanning til jevnere resultater (Sa ≈ 3,9–4,1 µm).
Figur 7 – Kombinert effekt av kraft og hastighet
Ved høyere effektnivåer (0,85–0,935 W) og skannehastigheter ned til 2,5 mm/s, sank Sa ytterligere til 3,5–3,8 µm. Under 1,5 mm/s førte overoppheting til pulversprengning og brenning.
Figur 8 – Reduksjon av lukeavstand
Å redusere lukeavstanden fra 7 µm til 5 µm forbedret overflatekvaliteten betydelig - Sa falt fra 6,75 µm til 4,1 µm. For store avstander førte til ujevn smelting og defektdannelse.
Figur 9 – Lukkeavstandspåvirkning
Innenfor optimale kraft- og hastighetsvinduer, reduserte lukeavstanden, forbedret jevnheten jevnt over overflaten, og oppnådde Sa så lavt som 2–3 µm. Justeringer i hastighet var nødvendig for å balansere varmeakkumulering.
Figur 10 – Optimale prosessparametere
Den beste behandlingstilstanden oppnådde en svært jevn smeltet overflate med en Sa på 2,37 µm ved å bruke:
Laserkraft:0.775 W
Skannehastighet:2,5 mm/s
Lukeavstand:7.5 µm
4. Konklusjon
For å evaluere potensialet til USP-lasere i additiv produksjon, ble femtosekundlasere integrert i LPBF-prosessen ved å bruke to typer rustfritt-stålpulver. Studien konkluderer med detlaserkrafter den mest kritiske faktoren - overdreven kraft forårsaker ablasjon, mens for lite forhindrer smelting.
Når et optimalt elektrisk vindu ble etablert (0,775–0,935 W), forbedret finjustering av skannehastigheten og skraveringsavstanden ytterligere overflateglattheten. De beste resultatene ble oppnådd ved:
Makt: 0.775–0.935 W
Skannehastighet:2,5 mm/s
Lukeavstand: 5–7.5 µm
Under disse optimaliserte parameterne ble jevn smelting og minimal overflateruhet oppnådd, noe som bekrefter gjennomførbarheten av USP-lasere for høy-presisjon additiv produksjon av mikro-skalakomponenter.
