Преглед рада
1. Увод
У адитивној производњи (АМ), ласери ултракратких импулса (УСП) омогућавају обраду широког спектра материјала и нуде потенцијал за смањење димензија и сложености произведених компоненти. Ова студија показује изводљивост употребе УСП ласера као алтернативе системима Ласер Повдер Бед Фусион (ЛПБФ), посебно за производњу критичних делова који захтевају већу прецизност. Користећи прилагођене и самопроизведене честице праха од нерђајућег челика-од нерђајућег челика, истраживачи су постигли жељене резултате и успешно произвели конзистентне квадратне слојеве оптимизацијом низа параметара обраде.
Студија потврђује да параметри процеса играју кључну улогу када се користе УСП ласери - чак и мања одступања у овим параметрима могу довести до непотпуног топљења. Смањењем брзине скенирања ради промовисања акумулације топлоте, топљење је постигнуто при ниским фреквенцијама понављања импулса (500 кХз) и малим просечним снагама ласера (0,5–1 В). Овај приступ пружа потенцијал за даље минимизирање величине делова, што је значајно за унапређење АМ коришћењем УСП ласерских извора.
2. Резиме студије
Уз континуирани развој адитивне производње, фемтосекундни ласери показују обећавајући потенцијал за обраду нерђајућег челика 316Л. Овај рад сумира и даје преглед студије о утицају параметара процеса у фемтосекундној ласерској обради нерђајућег челика 316Л. Главни циљ истраживања је да се истражи како снага ласера, величина честица праха, брзина скенирања и растојање шрафа утичу на квалитет обраде и перформансе материјала, како би се оптимизовали услови производње.
Истраживачи су прво представили карактеристике и погодност нерђајућег челика 316Л, затим су детаљно описали принцип рада и механизме фемтосекундне ласерске обраде. Након тога, фокусирали су се на то како кључни параметри -, укључујући снагу ласера, величину честица, брзину скенирања и растојање шрафирања - утичу на квалитет материјала.
Кроз експерименталне студије, тим је идентификовао оптимални опсег снаге ласера да спречи прекомерну аблацију и материјалну штету. Такође су открили да ситније честице праха доводе до боље контроле базена талине и веће прецизности формирања. Штавише, показало се да прилагођавања брзине скенирања и удаљености шрафирања смањују површинске дефекте и порозност, побољшавајући и квалитет и ефикасност.
Коначно, студија је разматрала изгледе примене фемтосекундних ласера у производњи нерђајућег челика 316Л, наглашавајући тренутне изазове и будуће правце истраживања.
3. Експериментална анализа и бројке
3.1 УСП ласерски принцип
Ласери ултракратких импулса (УСП) генеришу изузетно кратко трајање импулса, обично у опсегу од фемтосекунде (10⁻¹⁵ с) до пикосекунде (10⁻¹² с). Ови ласери се ослањају на нелинеарне оптичке ефекте и ултрабрзу оптику.
Основна компонента УСП ласера је резонантна шупљина, која садржи ласерски медијум (нпр. Нд:ИАГ или Ти:сафирни кристал) и извор појачања (као што су ласерске диоде или блиц лампе). Процес појачања се дешава кроз стимулисану емисију, где се фотони више пута рефлектују између огледала у шупљини и појачавају, на крају формирајући снажан излазни сноп.
УСП ласери постижу ултракратко трајање импулса коришћењем нелинеарних оптичких ефеката као што су само{0}}фазна модулација и нелинеарна рефракција. Оптички елементи као што су кристали-удвостручавајући фреквенцију или влакна помажу да се прошири и компримује пулсни спектар, достижући трајање импулса у фемтосекундном опсегу.
Слика 1 – Еволуција температуре при различитим снагама ласера
Слика 1 илуструје како се температура мења са променљивом снагом ласера.
Велика снага (црвена крива):температура прелази прагове топљења и аблације.
Мала снага (зелена крива):недовољна температура за топљење.
Оптимална снага (плава крива):омогућава топљење без аблације.
Слика 2 – СЕМ слике грубих и финих прахова
Цеит је развио прилагођене металне прахове{0}}атомизоване гасом за АМ. Коришћене су две врсте праха:
Крупни прах (20-45 µм)
Фини прах (<20 µm)
Фини прахови су постигли побољшану контролу топљења и уједначеност слоја.
Слика 3 – Процес наношења првог слоја
Да би се побољшала адхезија праха, подлога је прво ласерски-третирана да би се повећала храпавост површине. Профилометријска анализа је показала храпавост површине (Са) од 3,3 µм и дубину од 51,499 µм. Слојеви су затим нанети методом сечива, постижући уједначену дебљину:
Крупни прах: слојеви од 100–200 µм
Фини прах: слојеви од 50 µм
Слика 4 – Утицај снаге на грубу обраду праха
Коришћење УСП ласера у АМ представља изазов: топљење праха без изазивања аблације. Вишак снаге доводи до избацивања честица или оштећења подлоге. Смањење снаге ласера испод прага аблације доводи до успешног топљења.
При снази испод 0,5 В, фини прах остаје непромењен, док се изнад овог прага честице топе и спајају у веће сфере.
Слика 5 – Варијације снаге на финим праховима
Повећање снаге са 0,59 В на 0,765 В побољшало је топљење, производећи глатке и уједначеније површине. Храпавост површине (Са) се смањила са 3,45 µм на 2,58 µм.
Слика 6 – Ефекат брзине скенирања
На 0,674 В и 10 µм растојању:
Смањење брзине скенирања са 5 мм/с на 2,5 мм/с повећало је акумулацију топлоте и коалесценцију честица, повећање кластера и подизање Са са 5,43 µм на 6,75 µм.
На 0,765 В, спорије скенирање је довело до глаткијих резултата (Са ≈ 3,9–4,1 µм).
Слика 7 – Комбиновани ефекат снаге и брзине
На вишим нивоима снаге (0,85–0,935 В) и брзинама скенирања до 2,5 мм/с, Са се даље смањио на 3,5–3,8 µм. Испод 1,5 мм/с, прегревање је изазвало пуцање праха и сагоревање.
Слика 8 – Смањење шрафуре
Смањење удаљености отвора са 7 µм на 5 µм значајно је побољшало квалитет површине - Са је пао са 6,75 µм на 4,1 µм. Превише велике удаљености довеле су до неравномерног топљења и формирања дефеката.
Слика 9 – Утицај удаљености шрафуре
У оквиру оптималних прозора снаге и брзине, смањење размака отвора доследно је побољшало униформност површине, постижући Са од само 2–3 µм. Подешавања брзине су била неопходна да би се уравнотежила акумулација топлоте.
Слика 10 – Оптимални параметри процеса
Најбољи услови обраде постигли су високо уједначену отопљену површину са Са од 2,37 µм користећи:
Снага ласера:0.775 W
Брзина скенирања:2,5 мм/с
Удаљеност отвора:7.5 µm
4. Закључак
Да би се проценио потенцијал УСП ласера у адитивној производњи, фемтосекундни ласери су интегрисани у ЛПБФ процес коришћењем две врсте праха од нерђајућег{0}}челика. Студија закључује даснага ласераје најкритичнији фактор - превелика снага изазива аблацију, док премало спречава топљење.
Једном када је успостављен оптимални прозор снаге (0,775–0,935 В), фино-подешавање брзине скенирања и удаљености шрафирања додатно је побољшало глаткоћу површине. Најбољи резултати постигнути су на:
Снага: 0.775–0.935 W
Брзина скенирања:2,5 мм/с
Удаљеност отвора: 5–7.5 µm
Под овим оптимизованим параметрима, постигнуто је равномерно топљење и минимална храпавост површине, што потврђује изводљивост УСП ласера за високо{0}}прецизну адитивну производњу микро-компоненти.
