1. Введение в статью
В аддитивном производстве (АП) лазеры ультракоротких импульсов (УСП) могут использоваться для обработки различных материалов и потенциально уменьшать размер и форму деталей, изготовленных с использованием этой технологии. Эта работа демонстрирует, что лазеры USP являются жизнеспособной альтернативой лазерной сварке в порошковом слое (LPBF), особенно когда требуется более высокая точность при изготовлении некоторых критически важных деталей. В ходе исследования были достигнуты желаемые результаты с использованием -изготовленных на заказ и самодельных-частиц порошка нержавеющей стали, а также изготовления однородных квадратных слоев с помощью ряда оптимизированных технологических параметров.
Данное исследование подтверждает, что параметры процесса играют решающую роль при использовании этого типа лазера, поскольку даже небольшие отклонения по любому одному параметру могут привести к неполному плавлению. Плавление достигалось при низких частотах следования импульсов (500 кГц) и малых значениях средней мощности лазера (0,5–1 Вт) за счет снижения скорости сканирования для генерации накопления тепла. Это открывает возможности для дальнейшего уменьшения минимальных размеров деталей и существенно при использовании УСП-лазеров в АМ.
2. Полнотекстовый обзор
С развитием технологий аддитивного производства фемтосекундные лазеры имеют широкие перспективы применения при лазерной обработке нержавеющей стали 316L. В данной статье обобщается и представлена исследовательская работа по изучению параметров процесса фемтосекундной лазерной обработки нержавеющей стали 316L. Основная цель этого исследования заключалась в изучении влияния параметров процесса, таких как мощность лазера, размер частиц порошка, скорость сканирования и расстояние между линиями тени, на качество и производительность обрабатываемого материала, чтобы оптимизировать условия обработки.
В ходе исследования исследовательская группа впервые представила характеристики и применимость нержавеющей стали 316L, а также подробно остановилась на принципах и процессах фемтосекундной лазерной обработки. Впоследствии они сосредоточились на влиянии ключевых параметров процесса, таких как мощность лазера, размер частиц порошка, скорость сканирования и расстояние между линиями тени, на качество обработки.
Путем экспериментальных исследований исследовательская группа определила подходящий диапазон мощности лазера, позволяющий избежать чрезмерной абляции и повреждения материала. Они также изучили влияние частиц порошка разного размера на качество обработки и обнаружили, что частицы порошка более мелкого размера позволяют лучше контролировать ванну расплава и повысить точность формования. Кроме того, исследовательская группа изучила влияние скорости сканирования и расстояния между линиями тени на качество поверхности и эффективность обработки компонентов. Регулируя скорость сканирования и расстояние между тенями, они успешно уменьшили дефекты поверхности и образование пустот, а также улучшили качество и эффективность обработки.
Наконец, исследовательская группа обсудила перспективы применения фемтосекундных лазеров при лазерной обработке нержавеющей стали 316L и указала на проблемы в текущих исследованиях и будущих направлениях развития.
3. Графический анализ Лазеры со сверхкороткими импульсами (USP) могут генерировать чрезвычайно короткие импульсы, обычно в пределах от фемтосекунд (10⁻¹⁵ секунд) до пикосекунд (10⁻¹² секунд). Принцип работы лазеров USP основан на оптических нелинейных эффектах и технологии сверхбыстрой оптики.
Основным компонентом USP-лазера является лазерный резонансный резонатор, который включает в себя лазерную среду (например, кристалл Nd:YAG или кристалл Ti:сапфира) и усиливающую среду лазера (например, лазерный диод или импульсную лампу), которая усиливает свет.
Процесс лазерного усиления достигается за счет стимулированного излучения. Под действием источника возбуждения (например, лазерного диода или лампы-вспышки) атомы или ионы в лазерной среде возбуждаются до высокого энергетического уровня. Когда они возвращаются в основное состояние, они высвобождают фотоны посредством вынужденного излучения. Эти фотоны отражаются взад и вперед в резонансной полости, усиливаются усиливающей средой и, наконец, образуют мощный лазерный выход.
Лазер USP способен генерировать ультракороткие импульсы, используя нелинейные эффекты света и сверхбыструю оптику. В лазерной среде распространение света вызывает нелинейные эффекты, такие как само-фазовая модуляция и оптическая нелинейная рефракция. Эти эффекты вызывают изменения спектра импульса, делая его более широким. Вводя в резонансную полость оптические нелинейные элементы (такие как кристаллы -удвоения частоты или оптические волокна) спектр импульса можно дополнительно модулировать, сужая его и формируя сверхкороткие импульсы.
Кроме того, в лазере USP используется сверхбыстрая оптика для сжатия импульса. Используя такие элементы, как решетки, оптические волокна и нелинейные кристаллы, импульс можно сжимать во времени, достигая ширины импульса в фемтосекундном и пикосекундном диапазоне.
На рис. 1 показано изменение температуры при различных значениях мощности лазера. Когда значение мощности слишком велико (красная кривая), температура превышает порог плавления и абляции; при этом, когда значение мощности слишком низкое (зеленая кривая), температура не достигает порога плавления. При оптимальном значении мощности (синяя кривая) температура достаточна для плавления материала без абляции.
Компания Ceit может поставлять металлические порошки для AM по индивидуальному заказу. Воспользовавшись этим преимуществом, компания Ceit начала использовать частицы металлического порошка, распыленные в газе- собственного производства. Чтобы исследовать влияние размера частиц порошка на результаты, были выбраны два разных размера порошка, которые были названы по порядку: грубый порошок (распределение частиц по размерам 20-45 мкм) и мелкий порошок (<20µm particle size distribution) to distinguish them, as shown in Figure 2.
Чтобы решить проблему нанесения желаемого мелкодисперсного порошка, поверхность подложки сначала подвергалась лазерной-обработке, чтобы повысить ее шероховатость и улучшить адгезию между подложкой и порошком. После процесса лазерной абляции обработанную область профилировали с помощью 3D-оптического профилометра (Sensofar S Neox), что дало значение Sa 3,3 мкм и глубину 51,499 мкм. Затем на эту область был нанесен первый слой с помощью лезвия без канавок, позволяющего порошку заполниться и прилипнуть к подложке. В дальнейшем последующие слои наносились с использованием комбинации лезвий с дополнительными канавками, образуя структуры толщиной до 250 мкм. Этим методом достигается равномерная толщина слоев: 100 и 200 мкм для крупных порошков и 50 мкм для мелких порошков. Процесс порошкового покрытия выполнялся с использованием лезвия, как показано на рисунке 3.
При применении лазеров USP для АМ основной проблемой является доставка высокой энергии фемтосекундных лазерных импульсов к металлическим порошкам для их плавления, избегая при этом абляции. Абляция происходит, если мощность слишком высока или скорость доставки неправильная. Абляция может происходить как в частицах порошка, так и в подложке. Последнее приводит к выбрасыванию частиц из зоны обработки в окружающую абляционную зону, как показано на рисунках 4а)–с).
При снижении мощности ниже максимально допустимого значения диапазона абляции можно наблюдать относительно быстрый переход от полностью аблированной подложки к отсутствию воздействия ни на подложку, ни на порошок. Это очень согласуется с результатами, полученными Грёнингдиком и Майером в их экспериментах. Этот переход существует и при использовании более длинных импульсов, но в случае фемтосекундных импульсов окно процесса значительно уже. В экспериментах с использованием мелкодисперсных порошков также был обнаружен нижний предел, ниже которого порошок не подвергается воздействию. В этом случае результаты, аналогичные наблюдаемым на рисунке 4-d), наблюдались при мощности ниже 0,5 Вт. Когда мощность увеличивалась выше этого значения, порошок начинал плавиться, а частицы агрегировались, образуя более крупные сферы.
Сначала мощность лазера была отрегулирована до нижнего предела оконного процесса, используя значения мощности 0,68 Вт и 0,765 Вт. Затем скорость сканирования была снижена с 5 мм/с до минимально возможного значения. Для первого теста мы использовали мощность 0,68 Вт. По мере увеличения количества импульсов на единицу площади увеличивалось накопление тепла, металлический порошок начинал плавиться, частицы слипались друг с другом и образовывали более крупные частицы за счет агломерации.
На рисунке 6, когда скорость сканирования была уменьшена вдвое от первоначального значения, мы можем наблюдать увеличение размера частиц, что приводит к образованию более крупных агломератов порошка в технологической зоне. Это увеличение размера привело к увеличению размера Sa с 5,43 мкм до 6,75 мкм. И наоборот, в эксперименте, проведенном при 0,765 Вт, снижение скорости сканирования привело к небольшому уменьшению Sa с 6,89 мкм. На обоих уровнях мощности снижение скорости сканирования дало лучшие результаты, снизив значение Sa до 3,9–4,1 мкм. Это связано с тем, что при уменьшении скорости агломераты имеют тенденцию сливаться в один слой, что приводит к более однородной структуре.
