1. Bildiri Girişi
Eklemeli üretimde (AM), çeşitli malzemeleri işlemek ve potansiyel olarak bu teknoloji kullanılarak üretilen parçaların boyutunu ve şeklini azaltmak için ultra kısa darbeli (USP) lazerler kullanılabilir. Bu çalışma, USP lazerlerin, özellikle belirli kritik parçaların imalatında daha yüksek hassasiyet gerektiğinde, lazer toz yatağı füzyonuna (LPBF) uygun bir alternatif olduğunu göstermektedir. Çalışma, özel-yapılan ve kendi kendine{-yapılan paslanmaz çelik tozu parçacıkları kullanılarak istenen sonuçlara ulaşıldı ve bir dizi optimize edilmiş işlem parametresi aracılığıyla tutarlı kare katmanlar üretildi.
Bu çalışma, herhangi bir parametredeki küçük sapmaların bile eksik erimeye yol açabileceğinden, bu tür lazer kullanıldığında proses parametrelerinin çok önemli bir rol oynadığını doğrulamaktadır. Düşük darbe tekrarlama hızlarında (500 kHz) ve düşük ortalama lazer gücü değerlerinde (0,5–1 W) ısı birikimi oluşturacak şekilde tarama hızı düşürülerek erime sağlandı. Bu, minimum parça boyutunun daha da azaltılmasına yönelik olasılıkların önünü açar ve AM'de USP lazerleri kullanıldığında önemlidir.
2. Tam Metne Genel Bakış
Eklemeli üretim teknolojisinin gelişmesiyle birlikte femtosaniye lazerler, 316L paslanmaz çeliğin lazerle işlenmesinde geniş uygulama olanaklarına sahiptir. Bu makale, 316L paslanmaz çeliğin femtosaniye lazerle işlenmesinde proses parametrelerinin incelenmesine ilişkin bir araştırma makalesini özetlemekte ve tanıtmaktadır. Bu araştırmanın temel amacı, işleme koşullarını optimize etmek amacıyla lazer gücü, toz parçacık boyutu, tarama hızı ve gölge çizgisi mesafesi gibi işlem parametrelerinin işlenen malzemenin kalitesi ve performansı üzerindeki etkilerini araştırmaktı.
Araştırma ekibi, çalışmada ilk olarak 316L paslanmaz çeliğin özelliklerini ve uygulanabilirliğini tanıtarak femtosaniye lazer işlemenin prensipleri ve süreçlerini detaylandırdı. Daha sonra lazer gücü, toz parçacık boyutu, tarama hızı ve gölge çizgisi mesafesi gibi temel işlem parametrelerinin işleme kalitesi üzerindeki etkisine odaklandılar.
Deneysel araştırma yoluyla araştırma ekibi, aşırı ablasyon ve maddi hasarı önlemek için uygun bir lazer güç aralığı belirledi. Ayrıca farklı toz parçacık boyutlarının işleme kalitesi üzerindeki etkisini de incelediler ve daha ince toz parçacık boyutlarının daha iyi erimiş havuz kontrolü ve daha yüksek şekillendirme doğruluğu sağlayabileceğini buldular. Ayrıca araştırma ekibi, tarama hızı ve gölge çizgisi mesafesinin bileşenlerin yüzey kalitesi ve işleme verimliliği üzerindeki etkilerini araştırdı. Tarama hızını ve gölge çizgisi mesafesini ayarlayarak yüzey kusurlarını ve boşluk oluşumunu başarıyla azalttılar ve işleme kalitesini ve verimliliğini artırdılar.
Son olarak araştırma ekibi, 316L paslanmaz çeliğin lazerle işlenmesinde femtosaniye lazerlerin uygulama olanaklarını tartıştı ve mevcut araştırma ve gelecekteki geliştirme yönlerindeki zorluklara dikkat çekti.
3. Grafiksel Analiz Ultra kısa darbe (USP) lazerleri, tipik olarak femtosaniyeden (10⁻¹⁵ saniye) pikosaniyeye (10⁻¹² saniye) kadar zaman ölçeği dahilinde son derece kısa darbe genişlikleri oluşturabilir. USP lazerlerin prensibi optik doğrusal olmayan efektlere ve ultra hızlı optik teknolojisine dayanmaktadır.
USP lazerin temel bileşeni, bir lazer ortamı (Nd:YAG kristali veya Ti:safir kristali gibi) ve ışığı güçlendiren bir lazer kazanç ortamı (lazer diyot veya flaş lambası gibi) içeren bir lazer rezonans boşluğudur.
Lazer amplifikasyon işlemi uyarılmış emisyon yoluyla gerçekleştirilir. Uyarma kaynağının (bir lazer diyotu veya flaş lambası gibi) etkisi altında, lazer ortamındaki atomlar veya iyonlar yüksek bir enerji seviyesine uyarılır. Temel duruma döndüklerinde uyarılmış emisyon yoluyla fotonları serbest bırakırlar. Bu fotonlar rezonans boşluğunda ileri geri yansıtılır, kazanç ortamı tarafından güçlendirilir ve sonunda güçlü bir lazer çıkışı oluşturulur.
USP lazeri, ışığın doğrusal olmayan etkilerinden ve ultra hızlı optiklerden yararlanarak ultra kısa darbeler üretebilmektedir. Lazer ortamında ışığın yayılması, öz-faz modülasyonu ve optik doğrusal olmayan kırılma gibi doğrusal olmayan etkilere neden olur. Bu etkiler darbe spektrumunda değişikliklere neden olarak onu daha geniş hale getirir. Rezonans boşluğuna optik doğrusal olmayan elemanların (frekans-iki katına çıkan kristaller veya optik fiberler gibi) eklenmesiyle, darbe spektrumu daha da modüle edilebilir, daraltılabilir ve ultra kısa darbeler oluşturulabilir.
Ayrıca USP lazer, darbe sıkıştırmasını sağlamak için ultra hızlı optikleri kullanır. Izgaralar, optik fiberler ve doğrusal olmayan kristaller gibi öğeler kullanılarak darbe zaman içinde sıkıştırılabilir ve femtosaniye ve pikosaniye aralığında darbe genişlikleri elde edilebilir.
Şekil 1, farklı lazer gücü değerleri altında sıcaklık gelişimini göstermektedir. Güç değeri çok yüksek olduğunda (kırmızı eğri), sıcaklık erime ve ablasyon eşiğini aşar; güç değeri çok düşük olduğunda (yeşil eğri) sıcaklık erime eşiğine ulaşmaz. Optimum güç değerinde (mavi eğri), sıcaklık, ablasyona neden olmadan malzemeyi eritmeye yeterlidir.
Ceit, AM için özel metal tozları sağlayabilmektedir. Bu avantajdan yararlanan Ceit, kendi ürettiği gaz-atomize metal tozu parçacıklarını kullanmaya başladı. Toz parçacık boyutunun sonuçlara etkisini araştırmak için iki farklı toz boyutu seçilmiş ve sırasıyla kaba toz (20-45μm parçacık boyutu dağılımı) ve ince toz (<20µm particle size distribution) to distinguish them, as shown in Figure 2.
İstenilen ince toz birikimini elde etme zorluğunu çözmek için, alt tabakanın yüzeyi ilk olarak pürüzlülüğünü artırmak ve alt tabaka ile toz arasındaki yapışmayı geliştirmek için lazer- işlemine tabi tutuldu. Lazer ablasyon işleminin ardından, tedavi edilen alanın profili 3 boyutlu bir optik profilometre (Sensofar S Neox) kullanılarak çıkarıldı ve 3,3 µm Sa değeri ve 51,499 µm derinlik elde edildi. Daha sonra oluksuz bir bıçak kullanılarak bu alana, tozun alt tabakaya dolmasına ve yapışmasına olanak tanıyan bir birinci katman uygulandı. Daha sonra, 250 µm kalınlığa kadar yapılar oluşturan, oluk eklenmiş bir bıçak kombinasyonu kullanılarak sonraki katmanlar uygulandı. Bu yöntem düzgün katman kalınlıkları elde etti: kaba tozlar için 100 ve 200 µm ve ince tozlar için 50 µm. Toz kaplama işlemi Şekil 3'te gösterildiği gibi bir bıçak kullanılarak gerçekleştirildi.
USP lazerlerini AM'ye uygularken büyük bir zorluk, femtosaniye lazer darbelerinin yüksek enerjisini metal tozlarına ileterek ablasyondan kaçınırken onları eritmektir. Ablasyon, güç çok yüksekse veya dağıtım hızı yanlışsa gerçekleşir. Ablasyon, toz parçacıklarında veya substratta meydana gelebilir. İkincisi, Şekil 4a)'dan c)'ye kadar gösterildiği gibi parçacıkların işlem alanından çevredeki ablasyon alanına fırlatılmasına neden olur.
Gücün, ablasyon aralığının kabul edilebilir maksimum değerinin altına düşürülmesiyle, tamamen ablasyona uğratılmış bir substrattan, substrat veya toz üzerinde hiçbir etkinin olmadığı duruma nispeten hızlı bir geçiş gözlemlenebilir. Bu, Groeningdick ve Mayer'in deneylerinde buldukları sonuçlarla oldukça tutarlıdır. Bu geçiş, daha uzun darbeler kullanıldığında da mevcuttur, ancak femtosaniye darbeleri durumunda işlem penceresi önemli ölçüde daha dardır. İnce tozların kullanıldığı deneylerde, tozun etkilenmediği bir alt sınır da bulunmuştur. Bu durumda güç 0,5 W'un altına düştüğünde Şekil 4-d)'dekine benzer sonuçlar gözlendi. Güç bu değerin üzerine çıktığında toz erimeye başladı ve parçacıklar bir araya gelerek daha büyük küreler oluşturdu.
Öncelikle lazer gücü, 0,68W ve 0,765W güç değerleri kullanılarak pencere işleminin alt sınırına ayarlandı. Daha sonra tarama hızı 5 mm/s'den mümkün olan en düşük değere düşürüldü. İlk test için 0,68W kullandık. Birim alana düşen atım sayısı arttıkça ısı birikimi arttı, metal tozu erimeye başladı, parçacıklar birbirine yapıştı ve topaklanma yoluyla daha büyük parçacıklar oluştu.
Şekil 6'da, tarama hızı orijinal değerinin yarısına düştüğünde, parçacık boyutunda bir artış gözlemleyebiliriz, bu da işlem alanında daha büyük toz topaklarının oluşmasına neden olur. Boyuttaki bu artış Sa'nın 5,43 µm'den 6,75 µm'ye yükselmesine neden oldu. Bunun tersine, 0,765W'de gerçekleştirilen deneyde tarama hızının azaltılması, Sa'da 6,89μm'den hafif bir düşüşe neden oldu. Her iki güç seviyesinde de tarama hızının azaltılması daha iyi sonuçlar verdi ve Sa değeri 3,9–4,1 µm'ye düşürüldü. Bunun nedeni, hız azaldıkça topakların tek bir katman halinde birleşme eğiliminde olması ve bunun sonucunda daha düzgün bir yapı oluşmasıdır.
