Přehled papíru
1. Úvod
V aditivní výrobě (AM) umožňují lasery s ultrakrátkým pulzem (USP) zpracování široké škály materiálů a nabízejí potenciál pro snížení rozměrů a složitosti vyráběných součástí. Tato studie demonstruje proveditelnost použití USP laserů jako alternativy k systémům Laser Powder Bed Fusion (LPBF), zejména pro výrobu kritických dílů, které vyžadují vyšší přesnost. Pomocí přizpůsobených a vlastnoručně{2}}vyrobených částic prášku z nerezové- oceli vědci dosáhli požadovaných výsledků a úspěšně vyrobili konzistentní čtvercové vrstvy optimalizací řady parametrů zpracování.
Studie potvrzuje, že procesní parametry hrají při použití USP laserů kritickou roli - i malé odchylky v těchto parametrech mohou vést k neúplnému roztavení. Snížením rychlosti skenování pro podporu akumulace tepla bylo dosaženo tavení při nízkých frekvencích opakování pulzů (500 kHz) a nízkých průměrných výkonech laseru (0,5–1 W). Tento přístup poskytuje potenciál pro další minimalizaci velikosti dílů, což je významné pro pokrok AM pomocí laserových zdrojů USP.
2. Shrnutí studie
S neustálým rozvojem aditivní výroby vykazují femtosekundové lasery slibný potenciál pro zpracování nerezové oceli 316L. Tento článek shrnuje a shrnuje studii o vlivu procesních parametrů při zpracování nerezové oceli 316L femtosekundovým laserem. Hlavním cílem výzkumu je prozkoumat, jak výkon laseru, velikost částic prášku, rychlost skenování a vzdálenost šrafování ovlivňují kvalitu zpracování a výkon materiálu za účelem optimalizace výrobních podmínek.
Vědci nejprve představili vlastnosti a vhodnost nerezové oceli 316L, poté podrobně popsali princip fungování a mechanismy zpracování femtosekundovým laserem. Následně se zaměřili na to, jak klíčové parametry - včetně výkonu laseru, velikosti částic, rychlosti skenování a vzdálenosti šrafování - ovlivňují kvalitu materiálu.
Prostřednictvím experimentálních studií tým identifikoval optimální rozsah výkonu laseru, aby se zabránilo nadměrné ablaci a poškození materiálu. Zjistili také, že jemnější částice prášku vedou k lepší kontrole lázně taveniny a vyšší přesnosti tvarování. Kromě toho se ukázalo, že úpravy rychlosti skenování a vzdálenosti šrafování snižují povrchové vady a poréznost, čímž se zlepšuje kvalita i účinnost.
Nakonec studie diskutovala o vyhlídkách aplikace femtosekundových laserů při výrobě nerezové oceli 316L, přičemž zdůraznila současné výzvy a budoucí směry výzkumu.
3. Experimentální analýza a obrázky
3.1 Princip laseru USP
Lasery s ultrakrátkým pulzem (USP) generují extrémně krátké trvání pulzu, typicky v rozsahu femtosekund (10⁻¹⁵ s) až pikosekund (10⁻¹² s). Tyto lasery se spoléhají na nelineární optické efekty a ultrarychlou optiku.
Základní složkou USP laseru je rezonanční dutina, která obsahuje laserové médium (např. Nd:YAG nebo Ti:safírový krystal) a zdroj zisku (jako jsou laserové diody nebo zábleskové lampy). K procesu zesílení dochází prostřednictvím stimulované emise, kdy se fotony opakovaně odrážejí mezi zrcadly v dutině a jsou zesilovány, čímž se nakonec vytvoří výkonný výstupní paprsek.
Lasery USP dosahují ultrakrátké doby trvání pulsu využitím nelineárních optických efektů, jako je samo{0}}fázová modulace a nelineární lom. Optické prvky, jako jsou frekvenční-zdvojující krystaly nebo vlákna, pomáhají rozšiřovat a komprimovat pulzní spektrum a dosahovat trvání pulzů v rozsahu femtosekund.
Obrázek 1 – Vývoj teploty při různých výkonech laseru
Obrázek 1 ukazuje, jak se mění teplota s měnícím se výkonem laseru.
Vysoký výkon (červená křivka):teplota překračuje prahové hodnoty tání a ablace.
Nízký výkon (zelená křivka):nedostatečná teplota pro tavení.
Optimální výkon (modrá křivka):umožňuje tavení bez ablace.
Obrázek 2 – SEM snímky hrubých a jemných prášků
Společnost Ceit vyvinula přizpůsobené plynem-atomizované kovové prášky pro AM. Byly použity dva druhy prášku:
Hrubý prášek (20–45 µm)
Jemný prášek (<20 µm)
Jemné prášky dosáhly zlepšené kontroly taveniny a rovnoměrnosti vrstvy.
Obrázek 3 – Proces nanášení první vrstvy
Aby se zlepšila přilnavost prášku, byl substrát nejprve laserem-zpracován, aby se zvýšila drsnost povrchu. Profilometrická analýza ukázala drsnost povrchu (Sa) 3,3 µm a hloubku 51,499 µm. Vrstvy byly poté aplikovány pomocí čepelové metody, čímž bylo dosaženo jednotné tloušťky:
Hrubý prášek: 100–200 µm vrstvy
Jemný prášek: 50 µm vrstvy
Obrázek 4 – Účinek energie na hrubé zpracování prášku
Použití USP laserů v AM představuje výzvu: roztavení prášku bez způsobení ablace. Nadměrný výkon vede k vymrštění částic nebo poškození substrátu. Snížení výkonu laseru pod ablační práh vede k úspěšnému roztavení.
Při výkonech pod 0,5 W zůstává jemný prášek nedotčen, zatímco nad touto hranicí se částice roztaví a spojí do větších koulí.
Obrázek 5 – Změny výkonu u jemných prášků
Zvýšení výkonu z 0,59 W na 0,765 W zlepšilo tavení a vytvořilo hladší a jednotnější povrchy. Drsnost povrchu (Sa) se snížila z 3,45 um na 2,58 um.
Obrázek 6 – Vliv rychlosti skenování
Při 0,674 W a 10 µm vzdálenosti šrafování:
Snížení rychlosti skenování z 5 mm/s na 2,5 mm/s zvýšilo akumulaci tepla a koalescenci částic, zvětšilo shluky a zvýšilo Sa z 5,43 µm na 6,75 µm.
Při 0,765 W vedlo pomalejší skenování k hladším výsledkům (Sa ≈ 3,9–4,1 µm).
Obrázek 7 – Kombinovaný vliv výkonu a rychlosti
Při vyšších úrovních výkonu (0,85–0,935 W) a rychlostech skenování až 2,5 mm/s se Sa dále snížila na 3,5–3,8 µm. Při rychlosti nižší než 1,5 mm/s způsobilo přehřátí prasknutí a spálení prášku.
Obrázek 8 – Snížení vzdálenosti šrafování
Snížení vzdálenosti šrafování ze 7 µm na 5 µm výrazně zlepšilo kvalitu povrchu - Sa snížil z 6,75 µm na 4,1 µm. Příliš velké vzdálenosti vedly k nerovnoměrnému tání a tvorbě defektů.
Obrázek 9 – Vliv vzdálenosti šrafování
V rámci optimálních výkonových a rychlostních oken zkrácení šrafovací vzdálenosti konzistentně zlepšilo rovnoměrnost povrchu a dosáhlo Sa již 2–3 µm. Pro vyvážení akumulace tepla bylo nutné upravit rychlost.
Obrázek 10 – Parametry optimálního procesu
Nejlepší podmínky zpracování dosáhly vysoce rovnoměrného roztaveného povrchu s Sa 2,37 µm za použití:
Výkon laseru:0.775 W
Rychlost skenování:2,5 mm/s
Vzdálenost šrafování:7.5 µm
4. Závěr
Aby bylo možné vyhodnotit potenciál USP laserů v aditivní výrobě, byly femtosekundové lasery integrovány do procesu LPBF pomocí dvou typů práškových-nerezových ocelí. Studie k tomu docházívýkon laseruje nejkritičtějším faktorem - nadměrná síla způsobuje ablaci, zatímco příliš málo brání tání.
Jakmile bylo stanoveno optimální elektrické okno (0,775–0,935 W), jemné-vyladění rychlosti skenování a vzdálenosti šrafování dále zlepšilo hladkost povrchu. Nejlepších výsledků bylo dosaženo v:
Moc: 0.775–0.935 W
Rychlost skenování:2,5 mm/s
Vzdálenost šrafování: 5–7.5 µm
Za těchto optimalizovaných parametrů bylo dosaženo rovnoměrného tavení a minimální drsnosti povrchu, což potvrzuje proveditelnost USP laserů pro vysoce{0}}přesnou aditivní výrobu mikro-součástek.
