Trosolwg Papur
1. Rhagymadrodd
Mewn gweithgynhyrchu ychwanegion (AM), mae laserau pwls ultrashort (USP) yn galluogi prosesu ystod eang o ddeunyddiau ac yn cynnig potensial ar gyfer lleihau dimensiynau a chymhlethdod cydrannau ffug. Mae'r astudiaeth hon yn dangos dichonoldeb defnyddio laserau USP fel dewis amgen i systemau Cyfuniad Gwelyau Powdwr Laser (LPBF), yn enwedig ar gyfer gweithgynhyrchu rhannau hanfodol sydd angen manylder uwch. Gan ddefnyddio gronynnau powdr dur di-staen wedi'u teilwra a'u hunan-gynhyrchu, cyflawnodd yr ymchwilwyr y canlyniadau dymunol a gwnaethant haenau sgwâr cyson yn llwyddiannus trwy optimeiddio cyfres o baramedrau prosesu.
Mae'r astudiaeth yn cadarnhau bod paramedrau proses yn chwarae rhan hanfodol wrth ddefnyddio laserau USP - gall hyd yn oed mân wyriadau yn y paramedrau hyn arwain at doddi anghyflawn. Trwy leihau'r cyflymder sganio i hyrwyddo cronni gwres, cyflawnwyd toddi ar amleddau ailadrodd pwls isel (500 kHz) a phwerau laser cyfartalog isel (0.5-1 W). Mae'r dull hwn yn rhoi'r potensial i leihau maint rhan ymhellach, sy'n arwyddocaol ar gyfer symud AM ymlaen gan ddefnyddio ffynonellau laser USP.
2. Crynodeb o'r Astudiaeth
Gyda datblygiad parhaus gweithgynhyrchu ychwanegion, mae laserau femtosecond yn dangos potensial addawol ar gyfer prosesu dur di-staen 316L. Mae'r papur hwn yn crynhoi ac yn adolygu astudiaeth ar ddylanwad paramedrau proses mewn prosesu laser femtosecond o ddur di-staen 316L. Prif amcan yr ymchwil yw ymchwilio i sut mae pŵer laser, maint gronynnau powdr, cyflymder sganio, a phellter deor yn effeithio ar ansawdd prosesu a pherfformiad deunyddiau, er mwyn gwneud y gorau o amodau gweithgynhyrchu.
Cyflwynodd yr ymchwilwyr nodweddion ac addasrwydd dur di-staen 316L yn gyntaf, yna manylodd ar yr egwyddor weithredol a'r mecanweithiau o brosesu laser femtosecond. Yn dilyn hynny, fe wnaethant ganolbwyntio ar sut mae paramedrau allweddol - gan gynnwys pŵer laser, maint gronynnau, cyflymder sganio, a phellter deor - yn dylanwadu ar ansawdd deunydd.
Trwy astudiaethau arbrofol, nododd y tîm ystod pŵer laser optimaidd i atal abladiad gormodol a difrod materol. Canfuwyd hefyd bod gronynnau powdr mân yn arwain at well rheolaeth pyllau toddi a chywirdeb ffurfio uwch. At hynny, dangoswyd bod addasiadau mewn cyflymder sganio a phellter deor yn lleihau diffygion arwyneb a mandylledd, gan wella ansawdd ac effeithlonrwydd.
Yn olaf, trafododd yr astudiaeth ragolygon cymhwyso laserau femtosecond mewn gweithgynhyrchu dur di-staen 316L, gan dynnu sylw at yr heriau presennol a chyfarwyddiadau ymchwil yn y dyfodol.
3. Dadansoddiad Arbrofol a Ffigurau
3.1 Egwyddor Laser USP
Mae laserau pwls uwch-fyr (USP) yn cynhyrchu cyfnodau curiad y galon hynod o fyr, yn nodweddiadol yn yr ystod femtosecond (10⁻¹⁵ s) i picosecond (10⁻¹² s). Mae'r laserau hyn yn dibynnu ar effeithiau optegol aflinol ac opteg gwibgyswllt.
Elfen graidd laser USP yw'r ceudod soniarus, sy'n cynnwys cyfrwng laser (ee, Nd:YAG neu Ti: grisial saffir) a ffynhonnell ennill (fel deuodau laser neu lampau fflach). Mae'r broses chwyddo yn digwydd trwy allyriadau ysgogol, lle mae ffotonau'n adlewyrchu dro ar ôl tro rhwng drychau yn y ceudod ac yn cael eu chwyddo, gan ffurfio pelydr allbwn pwerus yn y pen draw.
Mae laserau USP yn cyflawni cyfnodau pwls uwch-fyr trwy drosoli effeithiau optegol aflinol megis modiwleiddio cam hunan- a phlygiant aflinol. Mae elfennau optegol fel amledd-dyblu crisialau neu ffibrau yn helpu i ehangu a chywasgu'r sbectrwm pwls, gan gyrraedd hyd curiad y galon yn yr ystod femtosecond.
Ffigur 1 – Esblygiad Tymheredd ar Bwerau Laser Gwahanol
Mae Ffigur 1 yn dangos sut mae tymheredd yn newid gyda phŵer laser amrywiol.
Pwer uchel (cromlin goch):tymheredd yn uwch na'r trothwyon toddi ac abladiad.
Pwer isel (cromlin werdd):tymheredd annigonol ar gyfer toddi.
Y pŵer gorau posibl (cromlin las):galluogi toddi heb abladiad.
Ffigur 2 – Delweddau SEM o Powdrau Bras a Mân
Datblygodd Ceit bowdrau metel atomized nwy wedi'u teilwra ar gyfer AM. Defnyddiwyd dau fath o bowdr:
Powdr bras (20-45 µm)
powdr mân (<20 µm)
Cyflawnodd powdr mân well rheolaeth toddi ac unffurfiaeth haenau.
Ffigur 3 – Proses Dyddodiad Haen Gyntaf
Er mwyn gwella adlyniad powdr, cafodd y swbstrad ei drin â laser yn gyntaf i gynyddu garwedd arwyneb. Dangosodd dadansoddiad proffilometrig garwedd arwyneb (Sa) o 3.3 µm a dyfnder o 51.499 µm. Yna gosodwyd haenau gan ddefnyddio dull llafn, gan sicrhau trwch unffurf:
Powdr bras: haenau 100-200 µm
Powdr mân: haenau 50 µm
Ffigur 4 – Effaith Pŵer ar Brosesu Powdwr Bras
Mae defnyddio laserau USP yn AM yn cyflwyno her: toddi'r powdr heb achosi abladiad. Mae pŵer gormodol yn arwain at alldaflu gronynnau neu ddifrod i'r swbstrad. Mae lleihau pŵer laser o dan y trothwy abladiad yn arwain at doddi llwyddiannus.
Ar bwerau o dan 0.5 W, mae'r powdr mân yn parhau i fod heb ei effeithio, tra uwchlaw'r trothwy hwn, mae gronynnau'n toddi ac yn cyfuno i sfferau mwy.
Ffigur 5 – Amrywiad Pŵer ar Powdrau Mân
Cynyddu'r pŵer o 0.59 W i 0.765 W toddi gwell, gan gynhyrchu arwynebau llyfnach a mwy unffurf. Gostyngodd y garwedd arwyneb (Sa) o 3.45 µm i 2.58 µm.
Ffigur 6 – Effaith Cyflymder Sganio
Ar 0.674 W a phellter deor 10 µm:
Roedd lleihau cyflymder sganio o 5 mm/s i 2.5 mm/s yn cynyddu croniad gwres a chyfuniad gronynnau, gan ehangu clystyrau a chodi Sa o 5.43 µm i 6.75 µm.
Ar 0.765 W, arweiniodd sganio arafach at ganlyniadau llyfnach (Sa ≈ 3.9–4.1 µm).
Ffigur 7 – Effaith Cyfunol Pŵer a Chyflymder
Ar lefelau pŵer uwch (0.85–0.935 W) a chyflymder sganio i lawr i 2.5 mm/s, gostyngodd Sa ymhellach i 3.5–3.8 µm. O dan 1.5 mm/s, achosodd gorgynhesu rhwyg a llosgi powdr.
Ffigur 8 – Gostyngiad Pellter Deor
Roedd lleihau pellter agoriad o 7 µm i 5 µm wedi gwella ansawdd yr arwyneb yn sylweddol - Gostyngodd Sa o 6.75 µm i 4.1 µm. Arweiniodd pellteroedd rhy fawr at doddi anwastad a ffurfio diffygion.
Ffigur 9 – Dylanwad Pellter Deor
O fewn ffenestri pŵer a chyflymder optimaidd, roedd lleihau pellter deor yn gyson yn gwella unffurfiaeth arwyneb, gan gyflawni Sa mor isel â 2-3 µm. Roedd angen addasiadau mewn cyflymder i gydbwyso cronni gwres.
Ffigur 10 – Paramedrau Proses Orau
Cyflawnodd y cyflwr prosesu gorau arwyneb toddi unffurf iawn gyda Sa o 2.37 µm gan ddefnyddio:
Pŵer laser:0.775 W
Cyflymder sganio:2.5 mm/s
Pellter deor:7.5 µm
4. Diweddglo
Er mwyn gwerthuso potensial laserau USP mewn gweithgynhyrchu ychwanegion, cafodd laserau femtosecond eu hintegreiddio i'r broses LPBF gan ddefnyddio dau fath o bowdrau dur di-staen. Daw'r astudiaeth i'r casgliad hynnypŵer laseryw'r ffactor mwyaf hanfodol - pŵer gormodol yn achosi abladiad, tra bod rhy ychydig yn atal toddi.
Ar ôl sefydlu'r ffenestr pŵer optimaidd (0.775-0.935 W), fe wnaeth mireinio'r cyflymder sganio a phellter deor wella llyfnder arwyneb ymhellach. Cafwyd y canlyniadau gorau yn:
Pwer: 0.775–0.935 W
Cyflymder sganio:2.5 mm/s
Pellter deor: 5–7.5 µm
O dan y paramedrau optimaidd hyn, cyflawnwyd toddi unffurf a chyn lleied â phosibl o garwedd arwyneb, gan gadarnhau dichonoldeb laserau USP ar gyfer gweithgynhyrchu ychwanegyn manwl uchel o gydrannau ar raddfa micro.
