Makaleye Genel Bakış
1. Giriş
Eklemeli üretimde (AM), ultra kısa darbeli (USP) lazerler çok çeşitli malzemelerin işlenmesine olanak tanır ve fabrikasyon bileşenlerin boyutlarını ve karmaşıklığını azaltma potansiyeli sunar. Bu çalışma, özellikle daha yüksek hassasiyet gerektiren kritik parçaların imalatında USP lazerlerinin Lazer Toz Yataklı Füzyon (LPBF) sistemlerine alternatif olarak kullanılmasının fizibilitesini göstermektedir. Özelleştirilmiş-kendi kendine üretilen paslanmaz{-çelik tozu parçacıklarını kullanan araştırmacılar, istenen sonuçları elde etti ve bir dizi işlem parametresini optimize ederek tutarlı kare katmanları başarıyla üretti.
Çalışma, USP lazerleri kullanıldığında proses parametrelerinin kritik bir rol oynadığını doğrulamaktadır -, bu parametrelerdeki küçük sapmalar bile eksik erimeyle sonuçlanabilir. Isı birikimini teşvik etmek için tarama hızının azaltılmasıyla, düşük darbe tekrarlama frekanslarında (500 kHz) ve düşük ortalama lazer güçlerinde (0,5-1 W) erime elde edildi. Bu yaklaşım, USP lazer kaynaklarını kullanarak AM'yi ilerletmek için önemli olan parça boyutunu daha da en aza indirme potansiyelini sağlar.
2. Çalışmanın Özeti
Eklemeli imalatın sürekli gelişmesiyle birlikte femtosaniye lazerler, 316L paslanmaz çeliğin işlenmesi için umut verici bir potansiyel göstermektedir. Bu makale, 316L paslanmaz çeliğin femtosaniye lazerle işlenmesinde proses parametrelerinin etkisi üzerine yapılan bir çalışmayı özetlemekte ve gözden geçirmektedir. Araştırmanın temel amacı, üretim koşullarını optimize etmek amacıyla lazer gücünün, toz parçacık boyutunun, tarama hızının ve tarama mesafesinin işleme kalitesini ve malzeme performansını nasıl etkilediğini araştırmaktır.
Araştırmacılar önce 316L paslanmaz çeliğin özelliklerini ve uygunluğunu tanıttı, ardından femtosaniye lazer işleminin çalışma prensibi ve mekanizmalarını detaylandırdı. Daha sonra, lazer gücü, parçacık boyutu, tarama hızı ve tarama mesafesi - dahil olmak üzere temel parametrelerin - malzeme kalitesini nasıl etkilediğine odaklandılar.
Ekip, deneysel çalışmalar yoluyla aşırı ablasyon ve maddi hasarı önlemek için en uygun lazer güç aralığını belirledi. Ayrıca daha ince toz parçacıklarının daha iyi erime havuzu kontrolüne ve daha yüksek şekillendirme doğruluğuna yol açtığını da buldular. Ayrıca tarama hızı ve tarama mesafesindeki ayarlamaların yüzey kusurlarını ve gözenekliliği azaltarak hem kaliteyi hem de verimliliği arttırdığı gösterildi.
Son olarak çalışma, mevcut zorlukları ve gelecekteki araştırma yönlerini vurgulayarak femtosaniye lazerlerin 316L paslanmaz çelik üretimindeki uygulama olanaklarını tartıştı.
3. Deneysel Analiz ve Şekiller
3.1 USP Lazer Prensibi
Ultra kısa atım (USP) lazerleri, genellikle femtosaniye (10⁻¹⁵ s) ila pikosaniye (10⁻¹² s) aralığında son derece kısa atım süreleri üretir. Bu lazerler doğrusal olmayan optik efektlere ve ultra hızlı optiklere dayanır.
USP lazerin temel bileşeni, bir lazer ortamı (örneğin, Nd:YAG veya Ti:safir kristali) ve bir kazanç kaynağı (örneğin, lazer diyotları veya flaş lambaları) içeren rezonans boşluğudur. Amplifikasyon süreci, fotonların boşluktaki aynalar arasında tekrar tekrar yansıdığı ve güçlendirildiği, sonuçta güçlü bir çıkış ışını oluşturduğu uyarılmış emisyon yoluyla gerçekleşir.
USP lazerleri, öz-faz modülasyonu ve doğrusal olmayan kırılma gibi doğrusal olmayan optik etkilerden yararlanarak ultra kısa darbe sürelerine ulaşır. Frekansı-iki katına çıkaran kristaller veya fiberler gibi optik öğeler, darbe spektrumunun genişletilmesine ve sıkıştırılmasına yardımcı olarak femtosaniye aralığında darbe sürelerine ulaşır.
Şekil 1 – Farklı Lazer Güçlerinde Sıcaklık Gelişimi
Şekil 1, değişen lazer gücüyle sıcaklığın nasıl değiştiğini göstermektedir.
Yüksek güç (kırmızı eğri):sıcaklık erime ve ablasyon eşiklerini aşıyor.
Düşük güç (yeşil eğri):Erime için yetersiz sıcaklık.
Optimum güç (mavi eğri):Ablasyona gerek kalmadan erimeyi sağlar.
Şekil 2 – Kaba ve İnce Tozların SEM Görüntüleri
Ceit, AM için özelleştirilmiş gaz-atomize metal tozları geliştirdi. İki tür toz kullanıldı:
İri toz (20–45 µm)
İnce toz (<20 µm)
İnce tozlar, gelişmiş erime kontrolü ve katman bütünlüğü sağladı.
Şekil 3 – Birinci Katman Biriktirme Süreci
Tozun yapışmasını arttırmak için, alt tabaka ilk olarak yüzey pürüzlülüğünü artırmak amacıyla lazerle -işlemden geçirildi. Profilometrik analiz, 3,3 µm'lik bir yüzey pürüzlülüğü (Sa) ve 51,499 µm'lik bir derinlik gösterdi. Daha sonra katmanlar bir bıçak yöntemi kullanılarak uygulandı ve tekdüze kalınlık elde edildi:
Kaba toz: 100–200 µm katmanlar
İnce toz: 50 µm katmanlar
Şekil 4 – Kaba Toz İşleme Üzerinde Güç Etkisi
AM'de USP lazerlerinin kullanılması bir zorluktur: ablasyona neden olmadan tozun eritilmesi. Aşırı güç, parçacıkların fırlamasına veya alt tabakanın hasar görmesine neden olur. Lazer gücünün ablasyon eşiğinin altına düşürülmesi başarılı bir erimeyle sonuçlanır.
0,5 W'un altındaki güçlerde, ince toz etkilenmeden kalırken, bu eşiğin üzerinde parçacıklar erir ve daha büyük küreler halinde birleşir.
Şekil 5 – İnce Tozlarda Güç Değişimi
Gücün 0,59 W'tan 0,765 W'a yükseltilmesi, erimeyi geliştirerek daha pürüzsüz ve daha düzgün yüzeyler üretti. Yüzey pürüzlülüğü (Sa) 3,45 µm'den 2,58 µm'ye düştü.
Şekil 6 – Tarama Hızının Etkisi
0,674 W ve 10 µm tarama mesafesinde:
Tarama hızının 5 mm/s'den 2,5 mm/s'ye düşürülmesi, ısı birikimini ve parçacık birleşmesini artırdı, kümeleri genişletti ve Sa'yı 5,43 µm'den 6,75 µm'ye yükseltti.
0,765 W'ta daha yavaş tarama, daha düzgün sonuçlara yol açtı (Sa ≈ 3,9–4,1 µm).
Şekil 7 - Güç ve Hızın Birleşik Etkisi
Daha yüksek güç seviyelerinde (0,85–0,935 W) ve 2,5 mm/s'ye kadar düşen tarama hızlarında Sa, 3,5–3,8 µm'ye daha da düştü. 1,5 mm/s'nin altındaki aşırı ısınma, tozun kopmasına ve yanmasına neden oldu.
Şekil 8 – Ambar Kapağı Mesafesinin Azaltılması
Tarama mesafesinin 7 µm'den 5 µm'ye düşürülmesi yüzey kalitesini önemli ölçüde iyileştirdi - Sa, 6,75 µm'den 4,1 µm'ye düştü. Aşırı büyük mesafeler düzensiz erimeye ve kusur oluşumuna yol açtı.
Şekil 9 – Kapak Mesafesi Etkisi
Optimum güç ve hız pencereleri dahilinde, kapak mesafesinin azaltılması yüzey düzgünlüğünü sürekli olarak iyileştirerek Sa'nın 2–3 µm'ye kadar düşmesini sağladı. Isı birikimini dengelemek için hızda ayarlamalar yapılması gerekiyordu.
Şekil 10 – Optimal Süreç Parametreleri
En iyi işleme koşulu, aşağıdakileri kullanarak 2,37 µm Sa ile oldukça düzgün bir erimiş yüzey elde etti:
Lazer gücü:0.775 W
Tarama hızı:2,5 mm/sn
Kapak mesafesi:7.5 µm
4. Sonuç
USP lazerlerinin eklemeli üretimdeki potansiyelini değerlendirmek için, iki tür paslanmaz-çelik tozu kullanılarak femtosaniye lazerler LPBF sürecine entegre edildi. Çalışma şu sonuca varıyor:lazer gücüen kritik faktördür - aşırı güç ablasyona neden olur, çok az güç ise erimeyi engeller.
Optimum elektrikli pencere oluşturulduktan sonra (0,775–0,935 W), tarama hızının ve tarama mesafesinin-ince ayarlanması yüzey düzgünlüğünü daha da iyileştirdi. En iyi sonuçlar şu adreste elde edildi:
Güç: 0.775–0.935 W
Tarama hızı:2,5 mm/sn
Kapak mesafesi: 5–7.5 µm
Bu optimize edilmiş parametreler altında, tekdüze erime ve minimum yüzey pürüzlülüğü elde edildi; bu, USP lazerlerinin mikro-ölçekli bileşenlerin yüksek-aditif üretimi için fizibilitesini doğruladı.
