Обзор бумаги
1. Введение
В аддитивном производстве (АМ) лазеры ультракоротких импульсов (USP) позволяют обрабатывать широкий спектр материалов и открывают возможности для уменьшения размеров и сложности изготавливаемых компонентов. Это исследование демонстрирует возможность использования лазеров USP в качестве альтернативы системам лазерной порошковой сварки (LPBF), особенно для производства критически важных деталей, требующих более высокой точности. Используя изготовленные по индивидуальному заказу и изготовленные собственными силами частицы порошка нержавеющей-стали, исследователи достигли желаемых результатов и успешно изготовили однородные квадратные слои за счет оптимизации ряда параметров обработки.
Исследование подтверждает, что параметры процесса играют решающую роль при использовании лазеров USP -, даже незначительные отклонения в этих параметрах могут привести к неполному плавлению. За счет снижения скорости сканирования для ускорения накопления тепла плавление достигалось при низких частотах повторения импульсов (500 кГц) и низких средних мощностях лазера (0,5–1 Вт). Этот подход дает возможность еще больше минимизировать размер детали, что важно для продвижения AM с использованием лазерных источников USP.
2. Резюме исследования
Благодаря постоянному развитию аддитивного производства фемтосекундные лазеры демонстрируют многообещающий потенциал для обработки нержавеющей стали 316L. В данной статье обобщены и рассмотрены исследования влияния параметров процесса фемтосекундной лазерной обработки нержавеющей стали 316L. Основная цель исследования — изучить, как мощность лазера, размер частиц порошка, скорость сканирования и расстояние вывода влияют на качество обработки и характеристики материала, чтобы оптимизировать условия производства.
Исследователи сначала представили характеристики и пригодность нержавеющей стали 316L, а затем подробно описали принцип работы и механизмы фемтосекундной лазерной обработки. Впоследствии они сосредоточились на том, как ключевые параметры -, включая мощность лазера, размер частиц, скорость сканирования и расстояние штриховки -, влияют на качество материала.
Путем экспериментальных исследований команда определила оптимальный диапазон мощности лазера, позволяющий предотвратить чрезмерную абляцию и повреждение материала. Они также обнаружили, что более мелкие частицы порошка приводят к лучшему контролю ванны расплава и более высокой точности формования. Кроме того, было показано, что регулировка скорости сканирования и расстояния штриховки уменьшает дефекты поверхности и пористость, улучшая как качество, так и эффективность.
Наконец, в исследовании обсуждались перспективы применения фемтосекундных лазеров в производстве нержавеющей стали 316L, подчеркивались текущие проблемы и будущие направления исследований.
3. Экспериментальный анализ и цифры.
3.1 Принцип лазера USP
Лазеры со сверхкороткими импульсами (USP) генерируют импульсы чрезвычайно короткой длительности, обычно от фемтосекундного (10⁻¹⁵ с) до пикосекундного (10⁻¹² с) диапазона. Эти лазеры основаны на нелинейных оптических эффектах и сверхбыстрой оптике.
Основным компонентом USP-лазера является резонансный резонатор, который содержит лазерную среду (например, кристалл Nd:YAG или Ti:сапфир) и источник усиления (например, лазерные диоды или лампы-вспышки). Процесс усиления происходит за счет вынужденного излучения, при котором фотоны многократно отражаются между зеркалами в резонаторе и усиливаются, в конечном итоге образуя мощный выходной луч.
Лазеры USP достигают сверхкороткой длительности импульсов за счет использования нелинейных оптических эффектов, таких как само-фазовая модуляция и нелинейная рефракция. Оптические элементы, такие как кристаллы или волокна-удвоения частоты, помогают расширить и сжать спектр импульса, достигая длительности импульса в фемтосекундном диапазоне.
Рисунок 1 – Эволюция температуры при различных мощностях лазера
На рисунке 1 показано, как меняется температура при изменении мощности лазера.
Высокая мощность (красная кривая):температура превышает пороги плавления и абляции.
Низкая мощность (зеленая кривая):недостаточная температура для плавления.
Оптимальная мощность (синяя кривая):позволяет плавить без абляции.
Рисунок 2 – СЭМ-изображения крупных и мелких порошков
Компания Ceit разработала специальные газо-распыленные металлические порошки для AM. Использовалось два типа порошка:
Крупный порошок (20–45 мкм)
Мелкий порошок (<20 µm)
Мелкие порошки позволили улучшить контроль плавления и однородность слоя.
Рисунок 3 – Процесс нанесения первого слоя
Чтобы улучшить адгезию порошка, подложка сначала была -обработана лазером для увеличения шероховатости поверхности. Профилометрический анализ показал шероховатость поверхности (Sa) 3,3 мкм и глубину 51,499 мкм. Затем слои наносились лезвием, добиваясь одинаковой толщины:
Грубый порошок: слои 100–200 мкм.
Мелкий порошок: слои 50 мкм
Рисунок 4 – Влияние мощности на обработку крупнозернистого порошка
Использование лазеров USP в АМ представляет собой сложную задачу: расплавить порошок, не вызывая абляции. Превышение мощности приводит к выбросу частиц или повреждению подложки. Уменьшение мощности лазера ниже порога абляции приводит к успешному плавлению.
При мощности ниже 0,5 Вт мелкий порошок остается неизменным, тогда как при мощности выше этого порога частицы плавятся и объединяются в более крупные сферы.
Рисунок 5 – Изменение мощности при работе с мелкими порошками
Увеличение мощности с 0,59 Вт до 0,765 Вт улучшает плавление, создавая более гладкие и однородные поверхности. Шероховатость поверхности (Sa) снизилась с 3,45 мкм до 2,58 мкм.
Рисунок 6 – Влияние скорости сканирования
При мощности 0,674 Вт и расстоянии штриховки 10 мкм:
Уменьшение скорости сканирования с 5 мм/с до 2,5 мм/с привело к увеличению накопления тепла и слиянию частиц, увеличению кластеров и увеличению Sa с 5,43 мкм до 6,75 мкм.
При мощности 0,765 Вт более медленное сканирование привело к более плавным результатам (Sa ≈ 3,9–4,1 мкм).
Рисунок 7 – Комбинированный эффект мощности и скорости
При более высоких уровнях мощности (0,85–0,935 Вт) и скорости сканирования до 2,5 мм/с Sa еще больше снижался до 3,5–3,8 мкм. При скорости ниже 1,5 мм/с перегрев вызывал разрыв и горение порошка.
Рисунок 8 – Уменьшение расстояния штриховки
Уменьшение расстояния штриховки с 7 до 5 мкм значительно улучшило качество поверхности - Sa снизилось с 6,75 мкм до 4,1 мкм. Чрезмерно большие расстояния приводили к неравномерности плавления и образованию дефектов.
Рисунок 9 – Влияние расстояния штриховки
В оптимальных окнах мощности и скорости сокращение расстояния вывода последовательно улучшало однородность поверхности, достигая уровня Sa всего 2–3 мкм. Регулировка скорости была необходима, чтобы сбалансировать накопление тепла.
Рисунок 10 – Оптимальные параметры процесса
Наилучшие условия обработки позволили получить очень однородную расплавленную поверхность с Sa 2,37 мкм при использовании:
Мощность лазера:0.775 W
Скорость сканирования:2,5 мм/с
Расстояние люка:7.5 µm
4. Заключение
Чтобы оценить потенциал лазеров USP в аддитивном производстве, фемтосекундные лазеры были интегрированы в процесс LPBF с использованием двух типов порошков нержавеющей-стали. В исследовании делается вывод, чтомощность лазераявляется наиболее важным фактором - чрезмерная мощность вызывает абляцию, а слишком малая предотвращает плавление.
После того как было установлено оптимальное окно мощности (0,775–0,935 Вт), точная-настройка скорости сканирования и расстояния штриховки еще больше улучшила гладкость поверхности. Наилучшие результаты были достигнуты на:
Власть: 0.775–0.935 W
Скорость сканирования:2,5 мм/с
Расстояние люка: 5–7.5 µm
При этих оптимизированных параметрах были достигнуты равномерное плавление и минимальная шероховатость поверхности, что подтверждает возможность использования лазеров USP для высокоточного аддитивного производства микро-компонентов.
