Gambaran Keseluruhan Kertas
1. Pengenalan
Dalam pembuatan aditif (AM), laser ultrashort pulse (USP) membolehkan pemprosesan pelbagai bahan dan menawarkan potensi untuk mengurangkan dimensi dan kerumitan komponen yang direka. Kajian ini menunjukkan kebolehlaksanaan menggunakan laser USP sebagai alternatif kepada sistem Laser Powder Bed Fusion (LPBF), terutamanya untuk pembuatan bahagian kritikal yang memerlukan ketepatan yang lebih tinggi. Menggunakan zarah serbuk keluli tahan karat-yang tersuai dan{2}}dihasilkan sendiri, penyelidik mencapai hasil yang diingini dan berjaya menghasilkan lapisan segi empat sama yang konsisten dengan mengoptimumkan satu siri parameter pemprosesan.
Kajian itu mengesahkan bahawa parameter proses memainkan peranan penting apabila menggunakan laser USP - malah sisihan kecil dalam parameter ini boleh mengakibatkan pencairan yang tidak lengkap. Dengan mengurangkan kelajuan pengimbasan untuk menggalakkan pengumpulan haba, pencairan dicapai pada frekuensi ulangan nadi rendah (500 kHz) dan kuasa laser purata rendah (0.5–1 W). Pendekatan ini memberikan potensi untuk meminimumkan lagi saiz bahagian, yang penting untuk memajukan AM menggunakan sumber laser USP.
2. Ringkasan Kajian
Dengan pembangunan berterusan pembuatan bahan tambahan, laser femtosecond menunjukkan potensi yang menjanjikan untuk memproses keluli tahan karat 316L. Kertas kerja ini meringkaskan dan mengkaji kajian tentang pengaruh parameter proses dalam pemprosesan laser femtosaat keluli tahan karat 316L. Objektif utama penyelidikan adalah untuk menyiasat bagaimana kuasa laser, saiz zarah serbuk, kelajuan pengimbasan, dan jarak menetas mempengaruhi kualiti pemprosesan dan prestasi bahan, untuk mengoptimumkan keadaan pembuatan.
Para penyelidik mula-mula memperkenalkan ciri-ciri dan kesesuaian keluli tahan karat 316L, kemudian memperincikan prinsip kerja dan mekanisme pemprosesan laser femtosecond. Selepas itu, mereka menumpukan pada cara parameter utama - termasuk kuasa laser, saiz zarah, kelajuan pengimbasan dan jarak menetas - mempengaruhi kualiti bahan.
Melalui kajian eksperimen, pasukan mengenal pasti julat kuasa laser yang optimum untuk mencegah ablasi yang berlebihan dan kerosakan material. Mereka juga mendapati bahawa zarah serbuk yang lebih halus membawa kepada kawalan kolam cair yang lebih baik dan ketepatan pembentukan yang lebih tinggi. Selain itu, pelarasan dalam kelajuan pengimbasan dan jarak penetasan ditunjukkan untuk mengurangkan kecacatan permukaan dan keliangan, meningkatkan kualiti dan kecekapan.
Akhir sekali, kajian itu membincangkan prospek penggunaan laser femtosecond dalam pembuatan keluli tahan karat 316L, menonjolkan cabaran semasa dan hala tuju penyelidikan masa depan.
3. Analisis dan Rajah Eksperimen
3.1 Prinsip Laser USP
Laser nadi ultrashort (USP) menjana tempoh nadi yang sangat singkat, biasanya dalam julat femtosaat (10⁻¹⁵ s) hingga picosaat (10⁻¹² s). Laser ini bergantung pada kesan optik tak linear dan optik ultrafast.
Komponen teras laser USP ialah rongga resonan, yang mengandungi medium laser (cth, Nd:YAG atau Ti: nilam kristal) dan sumber perolehan (seperti diod laser atau lampu kilat). Proses penguatan berlaku melalui pelepasan yang dirangsang, di mana foton berulang kali memantulkan antara cermin dalam rongga dan dikuatkan, akhirnya membentuk pancaran keluaran yang kuat.
Laser USP mencapai tempoh nadi ultrashort dengan memanfaatkan kesan optik tak linear seperti modulasi-sendiri dan pembiasan tak linear. Unsur optik seperti kekerapan-hablur atau gentian menggandakan membantu meluaskan dan memampatkan spektrum nadi, mencapai tempoh nadi dalam julat femtosaat.
Rajah 1 – Evolusi Suhu pada Kuasa Laser Berbeza
Rajah 1 menggambarkan bagaimana suhu berubah dengan kuasa laser yang berbeza-beza.
Kuasa tinggi (lengkung merah):suhu melebihi ambang lebur dan ablasi.
Kuasa rendah (lengkung hijau):suhu tidak mencukupi untuk lebur.
Kuasa optimum (lengkung biru):membolehkan lebur tanpa ablasi.
Rajah 2 – Imej SEM Serbuk Kasar dan Halus
Ceit membangunkan serbuk logam tersuai-untuk AM. Dua jenis serbuk digunakan:
Serbuk kasar (20–45 µm)
Serbuk halus (<20 µm)
Serbuk halus mencapai kawalan cair yang lebih baik dan keseragaman lapisan.
Rajah 3 – Proses Pemendapan Lapisan Pertama
Untuk meningkatkan lekatan serbuk, substrat pertama kali dirawat dengan laser-untuk meningkatkan kekasaran permukaan. Analisis profilometrik menunjukkan kekasaran permukaan (Sa) 3.3 µm dan kedalaman 51.499 µm. Lapisan kemudian digunakan menggunakan kaedah bilah, mencapai ketebalan seragam:
Serbuk kasar: 100–200 µm lapisan
Serbuk halus: 50 µm lapisan
Rajah 4 – Kesan Kuasa pada Pemprosesan Serbuk Kasar
Menggunakan laser USP dalam AM memberikan cabaran: mencairkan serbuk tanpa menyebabkan ablasi. Kuasa berlebihan membawa kepada pelepasan zarah atau kerosakan substrat. Mengurangkan kuasa laser di bawah ambang ablasi menghasilkan pencairan yang berjaya.
Pada kuasa di bawah 0.5 W, serbuk halus kekal tidak terjejas, manakala di atas ambang ini, zarah cair dan bergabung menjadi sfera yang lebih besar.
Rajah 5 – Variasi Kuasa pada Serbuk Halus
Meningkatkan kuasa daripada 0.59 W kepada 0.765 W mempertingkatkan lebur, menghasilkan permukaan yang lebih licin dan lebih seragam. Kekasaran permukaan (Sa) menurun daripada 3.45 µm kepada 2.58 µm.
Rajah 6 – Kesan Kelajuan Mengimbas
Pada jarak menetas 0.674 W dan 10 µm:
Mengurangkan kelajuan pengimbasan daripada 5 mm/s kepada 2.5 mm/s meningkatkan pengumpulan haba dan penyatuan zarah, membesarkan kelompok dan meningkatkan Sa daripada 5.43 µm kepada 6.75 µm.
Pada 0.765 W, pengimbasan yang lebih perlahan membawa kepada hasil yang lebih lancar (Sa ≈ 3.9–4.1 µm).
Rajah 7 – Kesan Gabungan Kuasa dan Kelajuan
Pada tahap kuasa yang lebih tinggi (0.85–0.935 W) dan kelajuan pengimbasan turun kepada 2.5 mm/s, Sa terus menurun kepada 3.5–3.8 µm. Di bawah 1.5 mm/s, terlalu panas menyebabkan serbuk pecah dan terbakar.
Rajah 8 – Pengurangan Jarak Penetasan
Mengurangkan jarak menetas daripada 7 µm kepada 5 µm meningkatkan kualiti permukaan dengan ketara - Sa menurun daripada 6.75 µm kepada 4.1 µm. Jarak yang terlalu jauh menyebabkan pencairan yang tidak sekata dan pembentukan kecacatan.
Rajah 9 – Pengaruh Jarak Menetas
Dalam tingkap kuasa dan kelajuan optimum, mengurangkan jarak menetas secara konsisten meningkatkan keseragaman permukaan, mencapai Sa serendah 2–3 µm. Pelarasan dalam kelajuan adalah perlu untuk mengimbangi pengumpulan haba.
Rajah 10 – Parameter Proses Optimum
Keadaan pemprosesan terbaik mencapai permukaan cair yang sangat seragam dengan Sa sebanyak 2.37 µm menggunakan:
Kuasa laser:0.775 W
Kelajuan pengimbasan:2.5 mm/s
Jarak penetasan:7.5 µm
4. Kesimpulan
Untuk menilai potensi laser USP dalam pembuatan aditif, laser femtosaat telah disepadukan ke dalam proses LPBF menggunakan dua jenis serbuk keluli tahan karat-. Kajian itu menyimpulkan bahawakuasa laserialah faktor paling kritikal - kuasa berlebihan menyebabkan ablasi, manakala terlalu sedikit menghalang lebur.
Setelah tetingkap kuasa optimum diwujudkan (0.775–0.935 W),-penalaan halus kelajuan pengimbasan dan jarak menetas meningkatkan lagi kelicinan permukaan. Keputusan terbaik dicapai pada:
Kuasa: 0.775–0.935 W
Kelajuan pengimbasan:2.5 mm/s
Jarak penetasan: 5–7.5 µm
Di bawah parameter yang dioptimumkan ini, pencairan seragam dan kekasaran permukaan yang minimum telah dicapai, mengesahkan kebolehlaksanaan laser USP untuk-pengilangan aditif berketepatan tinggi bagi komponen skala-mikro.
