Yfirlit yfir pappír
1. Inngangur
Í aukefnaframleiðslu (AM) gera ultrashort pulse (USP) leysir kleift að vinna úr fjölbreyttu úrvali efna og bjóða upp á möguleika á að draga úr stærðum og flóknum tilbúnum hlutum. Þessi rannsókn sýnir fram á hagkvæmni þess að nota USP leysira sem valkost við Laser Powder Bed Fusion (LPBF) kerfi, sérstaklega til að framleiða mikilvæga hluta sem krefjast meiri nákvæmni. Með því að nota sérsniðnar og sjálfframleiddar -ryðfríar-duftagnir úr stáli náðu rannsakendur tilætluðum árangri og tókst að búa til samræmd ferningalög með því að fínstilla röð vinnslubreyta.
Rannsóknin staðfestir að ferlisbreytur gegna mikilvægu hlutverki þegar USP leysir eru notaðir - jafnvel minniháttar frávik í þessum breytum geta leitt til ófullkominnar bráðnunar. Með því að draga úr skönnunarhraða til að stuðla að hitauppsöfnun náðist bráðnun við lága púlsendurtekningartíðni (500 kHz) og lágt meðaltal leysisafls (0,5–1 W). Þessi nálgun veitir möguleika á að lágmarka hlutastærð enn frekar, sem er mikilvægt fyrir framþróun AM með því að nota USP leysigjafa.
2. Samantekt rannsóknarinnar
Með stöðugri þróun aukefnaframleiðslu sýna femtósekúndu leysir vænlega möguleika til að vinna úr 316L ryðfríu stáli. Þessi grein dregur saman og endurskoðar rannsókn á áhrifum ferlibreyta í femtósekúndu laservinnslu á 316L ryðfríu stáli. Meginmarkmið rannsóknarinnar er að kanna hvernig leysirafl, duftkornastærð, skönnunarhraði og lúgufjarlægð hafa áhrif á vinnslugæði og afköst efnisins, til að hámarka framleiðsluaðstæður.
Rannsakendur kynntu fyrst eiginleika og hæfi 316L ryðfríu stáli, síðan útskýrðu vinnuregluna og aðferðir femtósekúndu leysirvinnslunnar. Í kjölfarið lögðu þeir áherslu á hvernig lykilbreytur -, þar á meðal leysiraflið, kornastærð, skönnunarhraði og klakfjarlægð - hafa áhrif á efnisgæði.
Með tilraunarannsóknum fann teymið ákjósanlegt leysiraflssvið til að koma í veg fyrir of mikla brottnám og efnisskemmdir. Þeir komust einnig að því að fínni duftagnir leiða til betri stjórnunar á bræðslulaugum og meiri nákvæmni í myndun. Ennfremur var sýnt fram á að breytingar á skönnunarhraða og lúgufjarlægð dregur úr yfirborðsgöllum og gropleika, sem bætir bæði gæði og skilvirkni.
Að lokum fjallaði rannsóknin um notkunarmöguleika femtósekúndu leysigeisla í 316L ryðfríu stáli framleiðslu, með áherslu á núverandi áskoranir og framtíðarrannsóknarleiðbeiningar.
3. Tilraunagreining og myndir
3.1 USP Laser Principle
Ultrashort pulse (USP) leysir mynda mjög stuttan púlstíma, venjulega á femtósekúndu (10⁻¹⁵ s) til píkósekúndu (10⁻¹² s) bilinu. Þessir leysir treysta á ólínuleg sjónáhrif og ofurhraða ljósfræði.
Kjarnahluti USP leysir er ómunarholið, sem inniheldur leysimiðil (td Nd:YAG eða Ti:safírkristall) og ávinningsgjafa (eins og leysidíóða eða flasslampa). Mögnunarferlið á sér stað með örvaðri losun, þar sem ljóseindir endurkastast ítrekað á milli spegla í holrýminu og magnast upp og mynda að lokum öflugan útgeisla.
USP leysir ná ofurstuttum púlstíma með því að nýta ólínuleg sjónáhrif eins og sjálfs-fasamótun og ólínulegt ljósbrot. Optískir þættir eins og tíðni-tvöföldunarkristallar eða trefjar hjálpa til við að víkka og þjappa púlsrófinu og ná púlstíma á femtósekúndusviðinu.
Mynd 1 – Hitastigsþróun við mismunandi leysivalda
Mynd 1 sýnir hvernig hitastig breytist með mismunandi afli leysis.
Mikill kraftur (rauður ferill):hitastig fer yfir bræðslu- og brottnámsmörk.
Lágt afl (græn ferill):ófullnægjandi hitastig fyrir bráðnun.
Ákjósanlegur kraftur (blá ferill):gerir bráðnun kleift án brottnáms.
Mynd 2 – SEM myndir af grófu og fínu dufti
Ceit þróaði sérsniðið gas-atómað málmduft fyrir AM. Tvær tegundir af dufti voru notaðar:
Gróft duft (20–45 µm)
Fínt duft (<20 µm)
Fínt duft náði betri bræðslustjórnun og einsleitni laganna.
Mynd 3 – Fyrsta lag útfellingarferli
Til að auka viðloðun dufts var undirlagið fyrst leysir-meðhöndlað til að auka grófleika yfirborðsins. Sniðfræðileg greining sýndi yfirborðsgrófleika (Sa) 3,3 µm og dýpi 51,499 µm. Lögin voru síðan borin á með því að nota blaðaðferð til að ná einsleitri þykkt:
Gróft duft: 100–200 µm lög
Fínt duft: 50 µm lög
Mynd 4 – Kraftáhrif á grófa duftvinnslu
Notkun USP leysira í AM er áskorun: að bræða duftið án þess að valda brottnám. Of mikið afl leiðir til agnalosunar eða undirlagsskemmda. Að draga úr leysikrafti niður fyrir brottnámsþröskuld leiðir til árangursríkrar bráðnunar.
Við afl undir 0,5 W verður fína duftið óbreytt, en yfir þessum þröskuldi bráðna agnir og renna saman í stærri kúlur.
Mynd 5 – Aflbreyting á fínu dufti
Aukið afl úr 0,59 W í 0,765 W aukið bráðnun, framleiðir sléttari og jafnari yfirborð. Yfirborðsgrófleiki (Sa) minnkaði úr 3,45 µm í 2,58 µm.
Mynd 6 – Áhrif skannahraða
Við 0,674 W og 10 µm lúgufjarlægð:
Með því að minnka skönnunarhraða úr 5 mm/s í 2,5 mm/s jókst hitauppsöfnun og agnasamruni, stækkaði klasa og hækkaði Sa úr 5,43 µm í 6,75 µm.
Við 0,765 W leiddi hægari skönnun til mýkri niðurstöðu (Sa ≈ 3,9–4,1 µm).
Mynd 7 – Sameinuð áhrif krafts og hraða
Við hærra aflstig (0,85–0,935 W) og skannahraða niður í 2,5 mm/s minnkaði Sa enn frekar í 3,5–3,8 µm. Undir 1,5 mm/s olli ofhitnun duftsbrots og bruna.
Mynd 8 – Lækkunarfjarlægð
Að minnka lúgufjarlægð úr 7 µm í 5 µm bætti yfirborðsgæði verulega - Sa lækkaði úr 6,75 µm í 4,1 µm. Of miklar vegalengdir leiddu til ójafnrar bráðnunar og gallamyndunar.
Mynd 9 – Áhrif lúgufjarlægðar
Innan ákjósanlegra afl- og hraðaglugga, minnkandi lúgufjarlægð, bætti stöðugt yfirborðsjafnvægi, og náði Sa allt að 2–3 µm. Hraðastillingar voru nauðsynlegar til að koma jafnvægi á hitauppsöfnun.
Mynd 10 – Optimal Process Parameters
Besta vinnsluskilyrðið náði mjög einsleitu bráðnu yfirborði með Sa upp á 2,37 µm með því að nota:
Laser máttur:0.775 W
Skannahraði:2,5 mm/s
Fjarlægð lúgu:7.5 µm
4. Niðurstaða
Til að meta möguleika USP leysis í aukefnaframleiðslu voru femtósekúndu leysir samþættir í LPBF ferlinu með því að nota tvær tegundir af ryðfríu-stáldufti. Rannsóknin kemst að þeirri niðurstöðuleysir afler mikilvægasti þátturinn - of mikill kraftur veldur eyðingu en of lítið kemur í veg fyrir bráðnun.
Þegar ákjósanlegur rafmagnsgluggi var kominn á (0,775–0,935 W), bætti fínstilling á skönnunarhraða og lúgufjarlægð enn frekar sléttleika yfirborðsins. Bestur árangur náðist á:
Kraftur: 0.775–0.935 W
Skannahraði:2,5 mm/s
Fjarlægð lúgu: 5–7.5 µm
Með þessum fínstilltu breytum náðist samræmd bráðnun og lágmarks yfirborðsgrófleiki, sem staðfestir hagkvæmni USP leysira fyrir há-nákvæmni aukefnaframleiðslu á ör-kvarðahlutum.
