1. Хартия Въведение
В адитивното производство (AM) лазерите с ултракъс импулс (USP) могат да се използват за обработка на различни материали и потенциално намаляване на размера и формата на частите, произведени с помощта на тази технология. Тази работа демонстрира, че USP лазерите са жизнеспособна алтернатива на сливането на лазерно прахово легло (LPBF), особено когато се изисква по-висока прецизност при производството на определени критични части. Проучването постигна желаните резултати, използвайки-изработени по поръчка и-самоизработени прахообразни частици от неръждаема стомана и произведени последователни квадратни слоеве чрез поредица от оптимизирани параметри на процеса.
Това проучване потвърждава, че параметрите на процеса играят решаваща роля при използването на този тип лазер, тъй като дори малки отклонения във всеки параметър могат да доведат до непълно топене. Топенето беше постигнато при ниски честоти на повторение на импулса (500 kHz) и ниски средни стойности на лазерна мощност (0,5–1 W) чрез намаляване на скоростта на сканиране за генериране на натрупване на топлина. Това отваря възможности за допълнително намаляване на минималния размер на частите и е важно при използване на USP лазери в AM.
2. Преглед на пълния текст
С развитието на технологията за адитивно производство, фемтосекундните лазери имат широки перспективи за приложение при лазерната обработка на неръждаема стомана 316L. Тази статия обобщава и въвежда изследователска статия за изследване на параметрите на процеса при фемтосекундна лазерна обработка на неръждаема стомана 316L. Основната цел на това изследване беше да се изследват ефектите на параметрите на процеса като мощност на лазера, размер на частиците на праха, скорост на сканиране и разстояние на линията на сянка върху качеството и производителността на обработвания материал, за да се оптимизират условията на обработка.
В проучването изследователският екип за първи път представи характеристиките и приложимостта на неръждаемата стомана 316L и разработи принципите и процесите на фемтосекундна лазерна обработка. Впоследствие те се съсредоточиха върху влиянието на ключови параметри на процеса като мощност на лазера, размер на частиците на праха, скорост на сканиране и разстояние на линията на сенките върху качеството на обработката.
Чрез експериментални изследвания изследователският екип определи подходящ диапазон на лазерна мощност, за да избегне прекомерна аблация и материални щети. Те също така проучиха ефекта от различните размери на частиците на праха върху качеството на обработката, като установиха, че по-фините размери на частиците на праха могат да постигнат по-добър контрол на разтопения басейн и по-висока точност на формоване. Освен това изследователският екип проучи ефектите от скоростта на сканиране и разстоянието на линията на сенките върху качеството на повърхността и ефективността на обработка на компонентите. Чрез регулиране на скоростта на сканиране и разстоянието на линията на сенките те успешно намалиха повърхностните дефекти и образуването на кухини и подобриха качеството и ефективността на обработката.
Накрая изследователският екип обсъди перспективите за приложение на фемтосекундните лазери при лазерната обработка на неръждаема стомана 316L и посочи предизвикателствата в настоящите изследвания и бъдещите насоки за развитие.
3. Графичен анализ Лазерите с ултракъси импулси (USP) могат да генерират изключително къси импулсни ширини, обикновено в рамките на времевата скала от фемтосекунди (10⁻¹⁵ секунди) до пикосекунди (10⁻¹² секунди). Принципът на USP лазерите се основава на оптични нелинейни ефекти и свръхбърза оптична технология.
Основният компонент на USP лазер е лазерна резонансна кухина, която включва лазерна среда (като Nd:YAG кристал или Ti:сапфирен кристал) и среда за лазерно усилване (като лазерен диод или флаш лампа), която усилва светлината.
Процесът на лазерно усилване се постига чрез стимулирано излъчване. Под действието на източника на възбуждане (като лазерен диод или флаш лампа), атомите или йоните в лазерната среда се възбуждат до високо енергийно ниво. Когато се върнат в основното състояние, те освобождават фотони чрез стимулирано излъчване. Тези фотони се отразяват напред-назад в резонансната кухина, усилват се от усилващата среда и накрая образуват мощен лазерен изход.
USP лазерът е в състояние да генерира ултракъси импулси, като използва нелинейните ефекти на светлината и ултрабързата оптика. В лазерната среда разпространението на светлината предизвиква нелинейни ефекти като само-фазова модулация и оптично нелинейно пречупване. Тези ефекти причиняват промени в импулсния спектър, което го прави по-широк. Чрез въвеждане на оптични нелинейни елементи (като кристали за-удвояване на честотата или оптични влакна) в резонансната кухина, импулсният спектър може да бъде допълнително модулиран, стеснявайки го и образувайки ултракъси импулси.
Освен това USP лазерът използва ултрабърза оптика за постигане на компресия на импулса. Чрез използване на елементи като решетки, оптични влакна и нелинейни кристали, импулсът може да бъде компресиран във времето, постигайки ширина на импулса във фемтосекундния и пикосекундния диапазон.
Фигура 1 показва развитието на температурата при различни стойности на мощността на лазера. Когато стойността на мощността е твърде висока (червена крива), температурата надвишава прага за топене и аблация; докато когато стойността на мощността е твърде ниска (зелена крива), температурата не достига прага на топене. При оптималната стойност на мощността (синя крива), температурата е достатъчна, за да разтопи материала, без да причинява аблация.
Ceit е в състояние да осигури персонализирани метални прахове за AM. Възползвайки се от това предимство, Ceit започна да използва собствено произведени частици метален прах,-разпръснати. За да се изследва ефектът от размера на частиците на праха върху резултатите, бяха избрани два различни размера на праха и наречени по ред груб прах (20-45 µm разпределение на размера на частиците) и фин прах (<20µm particle size distribution) to distinguish them, as shown in Figure 2.
За да се отговори на предизвикателството за постигане на желаното отлагане на фин прах, повърхността на субстрата първо беше лазерно -обработена, за да се увеличи грапавостта му и да се подобри адхезията между субстрата и праха. След процеса на лазерна аблация, третираната зона беше профилирана с помощта на 3D оптичен профилометър (Sensofar S Neox), като се получи Sa стойност от 3,3 µm и дълбочина от 51,499 µm. След това върху тази област се нанася първи слой с помощта на острие без жлебове, което позволява на праха да се напълни и да се прилепи към субстрата. Впоследствие бяха нанесени последващи слоеве с помощта на комбинация от остриета с добавени жлебове, образувайки структури с дебелина до 250 µm. Този метод постига еднакви дебелини на слоя: 100 и 200 µm за едри прахове и 50 µm за фини прахове. Процесът на прахово покритие се извършва с помощта на нож, както е показано на фигура 3.
При прилагането на USP лазери към AM, голямо предизвикателство е доставянето на високата енергия на фемтосекундни лазерни импулси към метални прахове, за да ги разтопи, като същевременно се избягва аблация. Аблация възниква, ако мощността е твърде висока или скоростта на доставяне е неправилна. Аблация може да възникне в праховите частици или в субстрата. Последното причинява изхвърляне на частици от обработващата зона в заобикалящата аблирана зона, както е показано на фигури 4a) до c).
Чрез намаляване на мощността под максималната приемлива стойност на обхвата на аблация може да се наблюдава относително бърз преход от напълно аблиран субстрат до липса на ефект нито върху субстрата, нито върху праха. Това е много в съответствие с резултатите, открити от Groeningdick и Mayer в техните експерименти. Този преход съществува и при използване на по-дълги импулси, но прозорецът на процеса е значително по-тесен в случай на фемтосекундни импулси. При експерименти, използващи фини прахове, беше открита и долна граница, под която прахът не се влияе. В този случай се наблюдават резултати, подобни на наблюдаваните на Фигура 4-d), когато мощността е под 0,5 W. Когато мощността се увеличи над тази стойност, прахът започва да се топи и частиците се агрегират, за да образуват по-големи сфери.
Първо, мощността на лазера беше коригирана до долната граница на процеса на прозореца, използвайки стойности на мощност от 0,68 W и 0,765 W. След това скоростта на сканиране беше намалена от 5 mm/s до най-ниската възможна стойност. За първия тест използвахме 0,68 W. Тъй като броят на импулсите на единица площ се увеличи, натрупването на топлина се увеличи, металният прах започна да се топи, частиците се залепиха една за друга и образуваха по-големи частици чрез агломерация.
На Фигура 6, когато скоростта на сканиране беше намалена до половината от първоначалната си стойност, можем да наблюдаваме увеличаване на размера на частиците, което води до образуването на по-големи прахообразни агломерати в зоната на процеса. Това увеличение на размера доведе до увеличаване на Sa от 5,43 µm до 6,75 µm. Обратно, в експеримента, проведен при 0,765 W, намаляването на скоростта на сканиране доведе до леко намаляване на Sa от 6,89 µm. И при двете нива на мощност намаляването на скоростта на сканиране дава по-добри резултати, намалявайки стойността на Sa до 3,9–4,1 µm. Това е така, защото с намаляването на скоростта агломератите са склонни да се слеят в един слой, което води до по-равномерна структура.
