تحقیق در مورد شرایط فرآیند تولید افزودنی لیزر فمتوثانیه برای فولاد ضد زنگ

1. مقدمه مقاله

در ساخت افزودنی (AM)، لیزرهای پالس اولترا کوتاه (USP) می توانند برای پردازش مواد مختلف استفاده شوند و به طور بالقوه اندازه و شکل قطعات تولید شده با استفاده از این فناوری را کاهش دهند. این کار نشان می‌دهد که لیزرهای USP یک جایگزین مناسب برای همجوشی بستر پودر لیزری (LPBF) هستند، به‌ویژه زمانی که دقت بالاتری در ساخت قطعات حیاتی خاص مورد نیاز است. این مطالعه با استفاده از ذرات پودر فولاد ضد زنگ سفارشی-و خود ساخته{3}}و ساخت لایه های مربعی ثابت از طریق یک سری پارامترهای فرآیند بهینه به نتایج مطلوب دست یافت.

این مطالعه تأیید می‌کند که پارامترهای فرآیند هنگام استفاده از این نوع لیزر نقش مهمی دارند، زیرا حتی انحرافات کوچک در هر یک از پارامترها می‌تواند منجر به ذوب ناقص شود. ذوب در نرخ های تکرار پالس پایین (500 کیلوهرتز) و مقادیر متوسط ​​توان لیزر پایین (0.5-1 W) با کاهش سرعت اسکن برای تولید انباشت گرما به دست آمد. این امکان را برای کاهش بیشتر حداقل اندازه قطعات باز می کند و هنگام استفاده از لیزر USP در AM قابل توجه است.

2. نمای کلی متن کامل
با توسعه فناوری ساخت افزودنی، لیزرهای فمتوثانیه چشم انداز کاربرد گسترده ای در پردازش لیزری فولاد ضد زنگ 316L دارند. این مقاله یک مقاله تحقیقاتی در مورد مطالعه پارامترهای فرآیند در پردازش لیزر فمتوثانیه فولاد ضد زنگ 316L را خلاصه و معرفی می‌کند. هدف اصلی این تحقیق بررسی تأثیر پارامترهای فرآیند مانند توان لیزر، اندازه ذرات پودر، سرعت اسکن و فاصله خط سایه بر کیفیت و عملکرد مواد فرآوری‌شده، به منظور بهینه‌سازی شرایط پردازش بود.

در این مطالعه، تیم تحقیقاتی ابتدا ویژگی‌ها و قابلیت کاربرد فولاد ضد زنگ 316L را معرفی کرد و اصول و فرآیندهای پردازش لیزر فمتوثانیه را توضیح داد. متعاقباً، آنها بر تأثیر پارامترهای کلیدی فرآیند مانند توان لیزر، اندازه ذرات پودر، سرعت اسکن و فاصله خط سایه بر کیفیت پردازش تمرکز کردند.

از طریق تحقیقات تجربی، تیم تحقیقاتی یک محدوده توان لیزر مناسب را برای جلوگیری از فرسایش بیش از حد و آسیب مواد تعیین کردند. آنها همچنین تأثیر اندازه های مختلف ذرات پودر را بر کیفیت پردازش مطالعه کردند و دریافتند که اندازه ذرات پودر ریزتر می تواند به کنترل بهتر استخر مذاب و دقت شکل دهی بالاتر دست یابد. علاوه بر این، تیم تحقیقاتی اثرات سرعت اسکن و فاصله خط سایه را بر کیفیت سطح و راندمان پردازش قطعات مورد بررسی قرار دادند. با تنظیم سرعت اسکن و فاصله خط سایه، آنها با موفقیت عیوب سطح و تشکیل فضای خالی را کاهش دادند و کیفیت و کارایی پردازش را بهبود بخشیدند.

در نهایت، تیم تحقیقاتی چشم‌انداز کاربرد لیزرهای فمتوثانیه را در پردازش لیزری فولاد ضد زنگ 316L مورد بحث قرار دادند و به چالش‌های موجود در تحقیقات فعلی و جهت‌های توسعه آینده اشاره کردند.

3. لیزرهای پالس فوق کوتاه (USP) تحلیل گرافیکی می‌توانند پهنای پالس بسیار کوتاهی تولید کنند، معمولاً در بازه زمانی فمتوثانیه (10-15 ثانیه) تا پیکوثانیه (10-12 ثانیه). اصل لیزرهای USP بر اساس اثرات غیرخطی نوری و فناوری اپتیک فوق سریع است.

جزء اصلی لیزر USP یک حفره تشدید لیزری است که شامل یک محیط لیزری (مانند کریستال Nd:YAG یا کریستال Ti: یاقوت کبود) و یک محیط افزایش لیزر (مانند دیود لیزر یا لامپ فلاش) است که نور را تقویت می کند.

فرآیند تقویت لیزر از طریق انتشار تحریک شده به دست می آید. تحت عمل منبع تحریک (مانند دیود لیزر یا لامپ فلاش)، اتم‌ها یا یون‌ها در محیط لیزر تا سطح انرژی بالایی برانگیخته می‌شوند. هنگامی که آنها به حالت پایه باز می گردند، فوتون ها را از طریق انتشار تحریک شده آزاد می کنند. این فوتون ها در حفره رزونانس به عقب و جلو بازتاب می شوند، توسط محیط افزایش تقویت می شوند و در نهایت یک خروجی لیزر قدرتمند را تشکیل می دهند.

لیزر USP با استفاده از اثرات غیرخطی نور و اپتیک های فوق سریع قادر به تولید پالس های فوق کوتاه است. در محیط لیزر، انتشار نور باعث ایجاد اثرات غیرخطی مانند مدولاسیون خود-فاز و شکست غیرخطی نوری می‌شود. این اثرات باعث ایجاد تغییراتی در طیف پالس شده و آن را گسترده تر می کند. با وارد کردن عناصر غیرخطی نوری (مانند کریستال‌های دو برابر شدن فرکانس یا فیبرهای نوری) در حفره تشدید، می‌توان طیف پالس را بیشتر مدوله کرد، آن را باریک کرد و پالس‌های فوق کوتاه را تشکیل داد.

علاوه بر این، لیزر USP از اپتیک های فوق سریع برای دستیابی به فشرده سازی پالس استفاده می کند. با استفاده از عناصری مانند گریتینگ، فیبرهای نوری و کریستال های غیرخطی، می توان پالس را در زمان فشرده کرد و به عرض پالس در محدوده فمتوثانیه و پیکو ثانیه دست یافت.

شکل 1 تکامل دما را تحت مقادیر مختلف توان لیزر نشان می دهد. وقتی مقدار توان خیلی زیاد است (منحنی قرمز)، دما از آستانه ذوب و فرسایش فراتر می رود. در حالی که وقتی مقدار توان خیلی کم است (منحنی سبز)، دما به آستانه ذوب نمی رسد. در مقدار توان بهینه (منحنی آبی)، دما برای ذوب شدن مواد بدون ایجاد فرسایش کافی است.

Ceit قادر به ارائه پودرهای فلزی سفارشی برای AM است. با استفاده از این مزیت، Ceit شروع به استفاده از ذرات پودر فلزی اتمیزه شده با گاز{1} خود کرده است. برای بررسی تأثیر اندازه ذرات پودر بر نتایج، دو اندازه پودر مختلف انتخاب شده و به ترتیب پودر درشت (توزیع اندازه ذرات 45-20 میکرومتر) و پودر ریز (ریز) نامگذاری شده است.<20µm particle size distribution) to distinguish them, as shown in Figure 2.

برای مقابله با چالش دستیابی به رسوب پودر ریز مورد نظر، سطح زیرلایه ابتدا با لیزر{0}}برای افزایش زبری آن و افزایش چسبندگی بین بستر و پودر تحت درمان قرار گرفت. پس از فرآیند فرسایش لیزری، ناحیه تحت درمان با استفاده از پروفیلومتر نوری سه بعدی (Sensofar S Neox) پروفیل شد و مقدار Sa 3.3 میکرومتر و عمق 51.499 میکرومتر بدست آمد. سپس اولین لایه با استفاده از تیغه‌ای بدون شیار روی این ناحیه اعمال شد و به پودر اجازه می‌داد پر شود و به زیرلایه بچسبد. پس از آن، لایه‌های بعدی با استفاده از ترکیبی از تیغه‌ها با شیارهای اضافه شده اعمال شد و ساختارهایی تا ضخامت 250 میکرومتر را تشکیل داد. این روش به ضخامت لایه یکنواخت دست یافت: 100 و 200 میکرومتر برای پودرهای درشت و 50 میکرومتر برای پودرهای ریز. همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، فرآیند پوشش پودری با استفاده از یک تیغه انجام شد.

هنگام استفاده از لیزرهای USP بر روی AM، یک چالش بزرگ ارائه انرژی بالای پالس های لیزر فمتوثانیه به پودرهای فلزی برای ذوب آنها و در عین حال اجتناب از فرسایش است. اگر قدرت خیلی زیاد باشد یا نرخ تحویل نادرست باشد، فرسایش اتفاق می‌افتد. فرسایش می تواند در ذرات پودر یا بستر رخ دهد. دومی باعث می شود که ذرات از ناحیه پردازش به ناحیه فرسوده اطراف پرتاب شوند، همانطور که در شکل های 4 الف تا ج نشان داده شده است.

با کاهش توان به زیر حداکثر مقدار قابل قبول محدوده فرسایش، انتقال نسبتاً سریع از یک بستر کاملاً فرسایش شده به عدم تأثیر بر روی بستر یا پودر قابل مشاهده است. این بسیار با نتایج بدست آمده توسط گرونینگدیک و مایر در آزمایشاتشان مطابقت دارد. این انتقال هنگام استفاده از پالس های طولانی تر نیز وجود دارد، اما پنجره فرآیند در مورد پالس های فمتوثانیه به طور قابل توجهی باریک تر است. در آزمایشات با استفاده از پودرهای ریز، حد پایین‌تری نیز یافت شد که زیر آن پودر بی‌تأثیر است. در این مورد، نتایجی مشابه نتایج مشاهده شده در شکل 4-d) زمانی مشاهده شد که توان کمتر از 0.5 وات بود. هنگامی که توان بالاتر از این مقدار افزایش یافت، پودر شروع به ذوب شدن کرد و ذرات تجمع کردند تا کره های بزرگتری را تشکیل دهند.

ابتدا توان لیزر با استفاده از مقادیر توان 0.68W و 0.765W تا حد پایین فرآیند پنجره تنظیم شد. سپس سرعت اسکن از 5mm/s به کمترین مقدار ممکن کاهش یافت. برای اولین آزمایش از 0.68W استفاده کردیم. با افزایش تعداد پالس ها در واحد سطح، انباشت گرما افزایش یافت، پودر فلز شروع به ذوب شدن کرد، ذرات به یکدیگر چسبیدند و از طریق تجمع ذرات بزرگتری را تشکیل دادند.

در شکل 6، زمانی که سرعت اسکن به نصف مقدار اولیه کاهش یافت، می‌توانیم افزایش اندازه ذرات را مشاهده کنیم که منجر به تشکیل آگلومره‌های پودری بزرگ‌تر در ناحیه فرآیند می‌شود. این افزایش اندازه باعث شد که Sa از 5.43 میکرومتر به 6.75 میکرومتر افزایش یابد. برعکس، در آزمایش انجام شده در 0.765W، کاهش سرعت اسکن منجر به کاهش جزئی Sa از 6.89 میکرومتر شد. در هر دو سطح توان، کاهش سرعت اسکن نتایج بهتری به همراه داشت و مقدار Sa را به 3.9-4.1 میکرومتر کاهش داد. این به این دلیل است که با کاهش سرعت، آگلومراها تمایل دارند به یک لایه منفرد ادغام شوند و در نتیجه ساختار یکنواخت تری ایجاد می شود.