1. Kertas Pengenalan
Dalam pembuatan aditif (AM), laser ultrashort pulse (USP) boleh digunakan untuk memproses pelbagai bahan dan berpotensi mengurangkan saiz dan bentuk bahagian yang dihasilkan menggunakan teknologi ini. Kerja ini menunjukkan bahawa laser USP adalah alternatif yang berdaya maju kepada gabungan katil serbuk laser (LPBF), terutamanya apabila ketepatan yang lebih tinggi diperlukan dalam pembuatan bahagian kritikal tertentu. Kajian itu mencapai hasil yang diingini menggunakan zarah serbuk keluli tahan karat-dibuat sendiri dan{3}}disuaikan serta menghasilkan lapisan segi empat sama yang konsisten melalui satu siri parameter proses yang dioptimumkan.
Kajian ini mengesahkan bahawa parameter proses memainkan peranan penting apabila menggunakan jenis laser ini, kerana penyimpangan kecil dalam mana-mana satu parameter boleh menyebabkan pencairan yang tidak lengkap. Pencairan dicapai pada kadar pengulangan nadi rendah (500 kHz) dan nilai kuasa laser purata rendah (0.5–1 W) dengan mengurangkan kelajuan imbasan untuk menjana pengumpulan haba. Ini membuka kemungkinan untuk mengurangkan lagi saiz minimum bahagian dan penting apabila menggunakan laser USP dalam AM.
2. Gambaran Keseluruhan Teks Penuh
Dengan perkembangan teknologi pembuatan aditif, laser femtosecond mempunyai prospek aplikasi yang luas dalam pemprosesan laser keluli tahan karat 316L. Kertas kerja ini merumuskan dan memperkenalkan kertas penyelidikan mengenai kajian parameter proses dalam pemprosesan laser femtosaat bagi keluli tahan karat 316L. Objektif utama penyelidikan ini adalah untuk menyiasat kesan parameter proses seperti kuasa laser, saiz zarah serbuk, kelajuan imbasan, dan jarak garis bayang-bayang ke atas kualiti dan prestasi bahan yang diproses, untuk mengoptimumkan keadaan pemprosesan.
Dalam kajian itu, pasukan penyelidik mula-mula memperkenalkan ciri dan kebolehgunaan keluli tahan karat 316L dan menghuraikan prinsip dan proses pemprosesan laser femtosaat. Selepas itu, mereka menumpukan pada pengaruh parameter proses utama seperti kuasa laser, saiz zarah serbuk, kelajuan pengimbasan, dan jarak garis bayangan pada kualiti pemprosesan.
Melalui penyelidikan eksperimen, pasukan penyelidik menentukan julat kuasa laser yang sesuai untuk mengelakkan ablasi yang berlebihan dan kerosakan material. Mereka juga mengkaji kesan saiz zarah serbuk yang berbeza terhadap kualiti pemprosesan, mendapati saiz zarah serbuk yang lebih halus boleh mencapai kawalan kolam lebur yang lebih baik dan ketepatan pembentukan yang lebih tinggi. Tambahan pula, pasukan penyelidik meneroka kesan kelajuan pengimbasan dan jarak garis bayangan pada kualiti permukaan dan kecekapan pemprosesan komponen. Dengan melaraskan kelajuan pengimbasan dan jarak garis bayang-bayang, mereka berjaya mengurangkan kecacatan permukaan dan pembentukan lompang, serta meningkatkan kualiti dan kecekapan pemprosesan.
Akhir sekali, pasukan penyelidik membincangkan prospek penggunaan laser femtosaat dalam pemprosesan laser keluli tahan karat 316L, dan menunjukkan cabaran dalam penyelidikan semasa dan arah pembangunan masa depan.
3. Analisis Grafik Laser nadi ultrashort (USP) boleh menjana lebar nadi yang sangat pendek, biasanya dalam skala masa femtosaat (10⁻¹⁵ saat) hingga picosaat (10⁻¹² saat). Prinsip laser USP adalah berdasarkan kesan bukan linear optik dan teknologi optik ultrafast.
Komponen teras laser USP ialah rongga resonan laser, yang merangkumi medium laser (seperti kristal Nd:YAG atau kristal Ti: nilam) dan medium perolehan laser (seperti diod laser atau lampu kilat) yang menguatkan cahaya.
Proses penguatan laser dicapai melalui pelepasan yang dirangsang. Di bawah tindakan sumber pengujaan (seperti diod laser atau lampu kilat), atom atau ion dalam medium laser teruja ke tahap tenaga yang tinggi. Apabila mereka kembali ke keadaan asas, mereka melepaskan foton melalui pelepasan yang dirangsang. Foton ini dipantulkan bolak-balik dalam rongga resonans, dikuatkan oleh medium perolehan, dan akhirnya membentuk output laser yang kuat.
Laser USP mampu menjana denyutan ultrashort dengan menggunakan kesan bukan linear optik cahaya dan ultracepat. Dalam medium laser, perambatan cahaya mendorong kesan tak linear seperti modulasi-sendiri dan biasan optik bukan linear. Kesan ini menyebabkan perubahan dalam spektrum nadi, menjadikannya lebih luas. Dengan memperkenalkan elemen bukan linear optik (seperti kekerapan-hablur menggandakan atau gentian optik) ke dalam rongga resonan, spektrum nadi boleh dimodulasi lagi, mengecilkannya dan membentuk denyutan ultra pendek.
Tambahan pula, laser USP menggunakan optik ultrafast untuk mencapai pemampatan nadi. Dengan menggunakan elemen seperti jeriji, gentian optik dan kristal tak linear, nadi boleh dimampatkan dalam masa, mencapai lebar nadi dalam julat femtosaat dan picosaat.
Rajah 1 menunjukkan evolusi suhu di bawah nilai kuasa laser yang berbeza. Apabila nilai kuasa terlalu tinggi (lengkung merah), suhu melebihi ambang untuk lebur dan ablasi; manakala apabila nilai kuasa terlalu rendah (lengkung hijau), suhu tidak mencapai ambang lebur. Pada nilai kuasa optimum (lengkung biru), suhu adalah mencukupi untuk mencairkan bahan tanpa menyebabkan ablasi.
Ceit mampu menyediakan serbuk logam tersuai untuk AM. Dengan memanfaatkan kelebihan ini, Ceit telah mula menggunakan gas buatannya sendiri-zarah serbuk logam beratom. Untuk menyiasat kesan saiz zarah serbuk ke atas keputusan, dua saiz serbuk berbeza telah dipilih dan dinamakan mengikut urutan, serbuk kasar (taburan saiz zarah 20-45µm) dan serbuk halus (<20µm particle size distribution) to distinguish them, as shown in Figure 2.
Untuk menangani cabaran mencapai pemendapan serbuk halus yang diingini, permukaan substrat terlebih dahulu dirawat-untuk meningkatkan kekasarannya dan meningkatkan lekatan antara substrat dan serbuk. Berikutan proses ablasi laser, kawasan yang dirawat telah diprofilkan menggunakan profilometer optik 3D (Sensofar S Neox), menghasilkan nilai Sa sebanyak 3.3 µm dan kedalaman 51.499 µm. Lapisan pertama kemudiannya digunakan pada kawasan ini menggunakan bilah tanpa alur, membolehkan serbuk mengisi dan melekat pada substrat. Selepas itu, lapisan seterusnya digunakan menggunakan gabungan bilah dengan alur tambahan, membentuk struktur sehingga 250 µm tebal. Kaedah ini mencapai ketebalan lapisan seragam: 100 dan 200 µm untuk serbuk kasar dan 50 µm untuk serbuk halus. Proses salutan serbuk dilakukan menggunakan bilah, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3.
Apabila menggunakan laser USP pada AM, cabaran utama ialah menyampaikan tenaga tinggi denyutan laser femtosaat kepada serbuk logam untuk mencairkannya sambil mengelakkan ablasi. Ablasi berlaku jika kuasa terlalu tinggi atau kadar penghantaran tidak betul. Ablasi boleh berlaku dalam zarah serbuk atau substrat. Yang terakhir ini menyebabkan zarah-zarah dikeluarkan dari kawasan pemprosesan ke kawasan ablasi di sekeliling, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4a) hingga c).
Dengan mengurangkan kuasa di bawah nilai maksimum julat ablasi yang boleh diterima, peralihan yang agak pantas daripada substrat yang terkelupas sepenuhnya kepada tiada kesan pada sama ada substrat atau serbuk boleh diperhatikan. Ini sangat konsisten dengan keputusan yang ditemui oleh Groeningdick dan Mayer dalam eksperimen mereka. Peralihan ini juga wujud apabila menggunakan denyutan yang lebih panjang, tetapi tetingkap proses adalah lebih sempit dengan ketara dalam kes denyutan femtosaat. Dalam eksperimen menggunakan serbuk halus, had yang lebih rendah juga didapati di bawah yang mana serbuk tidak terjejas. Dalam kes ini, keputusan yang serupa dengan yang diperhatikan dalam Rajah 4-d) diperhatikan apabila kuasa berada di bawah 0.5 W. Apabila kuasa meningkat melebihi nilai ini, serbuk mula cair, dan zarah-zarah terkumpul untuk membentuk sfera yang lebih besar.
Pertama, kuasa laser telah dilaraskan kepada had bawah proses tetingkap, menggunakan nilai kuasa 0.68W dan 0.765W. Kemudian, kelajuan imbasan dikurangkan daripada 5mm/s kepada nilai terendah yang mungkin. Untuk ujian pertama, kami menggunakan 0.68W. Apabila bilangan denyutan per unit luas meningkat, pengumpulan haba meningkat, serbuk logam mula cair, zarah melekat antara satu sama lain, dan membentuk zarah yang lebih besar melalui penggumpalan.
Dalam Rajah 6, apabila kelajuan imbasan dikurangkan kepada separuh nilai asalnya, kita boleh melihat peningkatan saiz zarah, mengakibatkan pembentukan aglomerat serbuk yang lebih besar di kawasan proses. Peningkatan saiz ini menyebabkan Sa meningkat daripada 5.43µm kepada 6.75µm. Sebaliknya, dalam eksperimen yang dijalankan pada 0.765W, mengurangkan kelajuan imbasan mengakibatkan sedikit penurunan dalam Sa daripada 6.89µm. Pada kedua-dua tahap kuasa, mengurangkan kelajuan imbasan menghasilkan hasil yang lebih baik, mengurangkan nilai Sa kepada 3.9–4.1µm. Ini kerana apabila kelajuan berkurangan, aglomerat cenderung untuk bergabung menjadi satu lapisan, menghasilkan struktur yang lebih seragam.
