1. Papirintroduktion
I additiv fremstilling (AM) kan ultrakorte pulse (USP) lasere bruges til at behandle forskellige materialer og potentielt reducere størrelsen og formen af dele fremstillet ved hjælp af denne teknologi. Dette arbejde viser, at USP-lasere er et levedygtigt alternativ til laserpulverbedfusion (LPBF), især når der kræves højere præcision ved fremstillingen af visse kritiske dele. Undersøgelsen opnåede de ønskede resultater ved at bruge specialfremstillede-og egen-pulverpartikler af rustfrit stål og fremstillede konsistente firkantede lag gennem en række optimerede procesparametre.
Denne undersøgelse bekræfter, at procesparametre spiller en afgørende rolle ved brug af denne type laser, da selv små afvigelser i en parameter kan føre til ufuldstændig smeltning. Smeltning blev opnået ved lave pulsgentagelseshastigheder (500 kHz) og lave gennemsnitlige lasereffektværdier (0,5-1 W) ved at reducere scanningshastigheden for at generere varmeakkumulering. Dette åbner muligheder for yderligere at reducere minimumsstørrelsen af dele og er væsentligt, når der bruges USP-lasere i AM.
2. Fuld tekstoversigt
Med udviklingen af additiv fremstillingsteknologi har femtosecond-lasere brede anvendelsesmuligheder i laserbehandling af 316L rustfrit stål. Dette papir opsummerer og introducerer et forskningspapir om undersøgelse af procesparametre i femtosekund laserbehandling af 316L rustfrit stål. Hovedformålet med denne forskning var at undersøge virkningerne af procesparametre såsom laserkraft, pulverpartikelstørrelse, scanningshastighed og skyggelinjeafstand på kvaliteten og ydeevnen af det behandlede materiale for at optimere procesbetingelserne.
I undersøgelsen introducerede forskerholdet først egenskaberne og anvendeligheden af 316L rustfrit stål og uddybede principperne og processerne for femtosekund laserbehandling. Efterfølgende fokuserede de på indflydelsen af vigtige procesparametre såsom laserkraft, pulverpartikelstørrelse, scanningshastighed og skyggelinjeafstand på behandlingskvaliteten.
Gennem eksperimentel forskning bestemte forskerholdet et passende lasereffektområde for at undgå overdreven ablation og materielle skader. De undersøgte også effekten af forskellige pulverpartikelstørrelser på forarbejdningskvaliteten og fandt ud af, at finere pulverpartikelstørrelser kunne opnå bedre kontrol med smeltet pool og højere formningsnøjagtighed. Desuden undersøgte forskerholdet virkningerne af scanningshastighed og skyggelinjeafstand på komponenternes overfladekvalitet og behandlingseffektivitet. Ved at justere scanningshastigheden og skyggelinjeafstanden reducerede de med succes overfladefejl og hulrumsdannelse og forbedrede behandlingskvalitet og effektivitet.
Endelig diskuterede forskerholdet anvendelsesmulighederne for femtosekund-lasere i laserbehandling af 316L rustfrit stål og påpegede udfordringerne i den nuværende forskning og fremtidige udviklingsretninger.
3. Grafisk analyse Ultrashort pulse (USP) lasere kan generere ekstremt korte pulsbredder, typisk inden for tidsskalaen fra femtosekunder (10⁻¹⁵ sekunder) til picosekunder (10⁻¹² sekunder). Princippet for USP-lasere er baseret på optiske ikke-lineære effekter og ultrahurtig optikteknologi.
Kernekomponenten i en USP-laser er et laserresonanshulrum, som omfatter et lasermedium (såsom en Nd:YAG-krystal eller en Ti:safirkrystal) og et laserforstærkningsmedium (såsom en laserdiode eller flashlampe), der forstærker lyset.
Laserforstærkningsprocessen opnås gennem stimuleret emission. Under påvirkning af excitationskilden (såsom en laserdiode eller flashlampe) exciteres atomer eller ioner i lasermediet til et højt energiniveau. Når de vender tilbage til grundtilstanden, frigiver de fotoner gennem stimuleret emission. Disse fotoner reflekteres frem og tilbage i resonanshulrummet, forstærkes af forstærkningsmediet og danner til sidst et kraftigt laseroutput.
USP-laseren er i stand til at generere ultrakorte pulser ved at udnytte de ikke-lineære effekter af lys og ultrahurtig optik. I lasermediet inducerer udbredelsen af lys ikke-lineære effekter såsom selv-fasemodulation og optisk ikke-lineær brydning. Disse effekter forårsager ændringer i pulsspektret, hvilket gør det bredere. Ved at indføre optiske ikke-lineære elementer (såsom frekvens-fordoblingskrystaller eller optiske fibre) i resonanshulrummet kan pulsspektret moduleres yderligere, indsnævre det og danne ultrakorte pulser.
Desuden anvender USP-laseren ultrahurtig optik til at opnå pulskompression. Ved at bruge elementer som gitre, optiske fibre og ikke-lineære krystaller, kan pulsen komprimeres i tid, hvilket opnår pulsbredder i femtosekund- og picosekundområdet.
Figur 1 viser temperaturudviklingen under forskellige lasereffektværdier. Når effektværdien er for høj (rød kurve), overskrider temperaturen tærsklen for smeltning og ablation; mens når effektværdien er for lav (grøn kurve), når temperaturen ikke smeltetærsklen. Ved den optimale effektværdi (blå kurve) er temperaturen tilstrækkelig til at smelte materialet uden at forårsage ablation.
Ceit er i stand til at levere specialfremstillede metalpulvere til AM. Ved at udnytte denne fordel er Ceit begyndt at bruge sine egne fremstillede gas-forstøvede metalpulverpartikler. For at undersøge effekten af pulverpartikelstørrelse på resultaterne er to forskellige pulverstørrelser blevet udvalgt og navngivet i rækkefølge, groft pulver (20-45µm partikelstørrelsesfordeling) og fint pulver (<20µm particle size distribution) to distinguish them, as shown in Figure 2.
For at løse udfordringen med at opnå den ønskede fine pulveraflejring blev substratoverfladen først laser-behandlet for at øge dens ruhed og forbedre vedhæftningen mellem substratet og pulveret. Efter laserablationsprocessen blev det behandlede område profileret ved hjælp af et 3D optisk profilometer (Sensofar S Neox), hvilket gav en Sa-værdi på 3,3 µm og en dybde på 51,499 µm. Et første lag blev derefter påført på dette område ved hjælp af et blad uden riller, hvilket tillod pulveret at fylde og klæbe til underlaget. Efterfølgende blev efterfølgende lag påført ved hjælp af en kombination af klinger med tilføjede riller, der danner strukturer op til 250 µm tykke. Denne metode opnåede ensartede lagtykkelser: 100 og 200 µm for grove pulvere og 50 µm for fine pulvere. Pulverbelægningsprocessen blev udført ved hjælp af et blad, som vist i figur 3.
Når man anvender USP-lasere til AM, er en stor udfordring at levere den høje energi fra femtosekund-laserimpulser til metalpulvere for at smelte dem og samtidig undgå ablation. Ablation opstår, hvis effekten er for høj, eller leveringshastigheden er forkert. Ablation kan forekomme i pulverpartiklerne eller substratet. Sidstnævnte forårsager, at partikler udstødes fra behandlingsområdet ind i det omgivende ablerede område, som vist i figur 4a) til c).
Ved at reducere effekten under den maksimalt acceptable værdi af ablationsområdet, kan der observeres en relativt hurtig overgang fra et fuldstændigt ableret substrat til ingen effekt på hverken substratet eller pulveret. Dette er meget i overensstemmelse med resultaterne fundet af Groeningdick og Mayer i deres eksperimenter. Denne overgang eksisterer også ved brug af længere pulser, men procesvinduet er væsentligt smallere ved femtosekundpulser. I forsøg med fint pulver blev der også fundet en nedre grænse, hvorunder pulveret er upåvirket. I dette tilfælde blev resultater svarende til dem observeret i figur 4-d) observeret, når effekten var under 0,5 W. Når effekten steg over denne værdi, begyndte pulveret at smelte, og partiklerne aggregerede til at danne større kugler.
Først blev lasereffekten justeret til den nedre grænse af vinduesprocessen ved hjælp af effektværdier på 0,68W og 0,765W. Derefter blev scanningshastigheden reduceret fra 5 mm/s til den lavest mulige værdi. Til den første test brugte vi 0,68W. Efterhånden som antallet af impulser pr. arealenhed steg, steg varmeakkumuleringen, metalpulveret begyndte at smelte, partikler klæbede til hinanden og dannede større partikler gennem agglomeration.
I figur 6, når scanningshastigheden blev reduceret til halvdelen af dens oprindelige værdi, kan vi observere en stigning i partikelstørrelse, hvilket resulterer i dannelsen af større pulveragglomerater i procesområdet. Denne stigning i størrelse fik Sa til at stige fra 5,43 µm til 6,75 µm. Omvendt, i eksperimentet udført ved 0,765W, resulterede reduktion af scanningshastigheden i et lille fald i Sa fra 6,89 µm. Ved begge effektniveauer gav reduktion af scanningshastigheden bedre resultater, hvilket reducerede Sa-værdien til 3,9-4,1 µm. Dette skyldes, at når hastigheden falder, har agglomeraterne en tendens til at smelte sammen til et enkelt lag, hvilket resulterer i en mere ensartet struktur.
