ภาพรวมกระดาษ
1. บทนำ
ในการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ (AM) เลเซอร์พัลส์แบบอัลตร้าชอร์ต (USP) ช่วยให้สามารถประมวลผลวัสดุได้หลากหลายและมีศักยภาพในการลดขนาดและความซับซ้อนของส่วนประกอบที่ประดิษฐ์ขึ้น การศึกษานี้แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ในการใช้เลเซอร์ USP เป็นทางเลือกแทนระบบ Laser Powder Bed Fusion (LPBF) โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการผลิตชิ้นส่วนสำคัญที่ต้องการความแม่นยำสูงกว่า นักวิจัยได้ใช้อนุภาคผงเหล็กสเตนเลส-ที่ผลิตขึ้นเองและ-สร้างขึ้นเอง ทำให้บรรลุผลตามที่ต้องการ และสร้างชั้นสี่เหลี่ยมจัตุรัสที่สอดคล้องกันได้สำเร็จโดยการปรับชุดพารามิเตอร์การประมวลผลให้เหมาะสม
การศึกษายืนยันว่าพารามิเตอร์กระบวนการมีบทบาทสำคัญในการใช้เลเซอร์ USP - แม้แต่การเบี่ยงเบนเล็กน้อยในพารามิเตอร์เหล่านี้ก็อาจส่งผลให้เกิดการหลอมละลายที่ไม่สมบูรณ์ ด้วยการลดความเร็วในการสแกนเพื่อส่งเสริมการสะสมความร้อน ทำให้สามารถหลอมละลายได้ที่ความถี่การเกิดซ้ำของพัลส์ต่ำ (500 kHz) และกำลังเลเซอร์เฉลี่ยต่ำ (0.5–1 W) แนวทางนี้ให้ศักยภาพในการลดขนาดชิ้นส่วนให้เหลือน้อยที่สุด ซึ่งมีความสำคัญต่อการก้าวหน้าของ AM โดยใช้แหล่งเลเซอร์ USP
2. บทสรุปของการศึกษา
ด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของการผลิตแบบเติมเนื้อ เลเซอร์ femtosecond แสดงให้เห็นถึงศักยภาพที่น่าหวังในการแปรรูปเหล็กกล้าไร้สนิม 316L บทความนี้สรุปและทบทวนการศึกษาเกี่ยวกับอิทธิพลของพารามิเตอร์กระบวนการในการประมวลผลด้วยเลเซอร์ femtosecond ของเหล็กกล้าไร้สนิม 316L วัตถุประสงค์หลักของการวิจัยคือการตรวจสอบว่ากำลังเลเซอร์ ขนาดอนุภาคของผง ความเร็วในการสแกน และระยะฟักส่งผลต่อคุณภาพการประมวลผลและประสิทธิภาพของวัสดุอย่างไร เพื่อที่จะปรับสภาวะการผลิตให้เหมาะสมที่สุด
นักวิจัยได้แนะนำคุณลักษณะและความเหมาะสมของเหล็กกล้าไร้สนิม 316L ก่อน จากนั้นจึงให้รายละเอียดเกี่ยวกับหลักการทำงานและกลไกของการประมวลผลด้วยเลเซอร์เฟมโตวินาที ต่อมา พวกเขามุ่งเน้นไปที่วิธีที่พารามิเตอร์หลัก - รวมถึงกำลังเลเซอร์ ขนาดอนุภาค ความเร็วในการสแกน และระยะฟัก - มีอิทธิพลต่อคุณภาพของวัสดุ
จากการศึกษาเชิงทดลอง ทีมงานได้ระบุช่วงกำลังเลเซอร์ที่เหมาะสมที่สุดเพื่อป้องกันการระเหยและความเสียหายของวัสดุมากเกินไป พวกเขายังพบว่าอนุภาคผงที่ละเอียดยิ่งขึ้นนำไปสู่การควบคุมบ่อหลอมเหลวที่ดีขึ้นและความแม่นยำในการขึ้นรูปที่สูงขึ้น นอกจากนี้ ยังมีการแสดงการปรับความเร็วในการสแกนและระยะฟักเพื่อลดข้อบกพร่องและความพรุนของพื้นผิว ปรับปรุงทั้งคุณภาพและประสิทธิภาพ
สุดท้ายนี้ การศึกษาได้กล่าวถึงแนวโน้มการประยุกต์ใช้เลเซอร์ femtosecond ในการผลิตเหล็กกล้าไร้สนิม 316L โดยเน้นถึงความท้าทายในปัจจุบันและทิศทางการวิจัยในอนาคต
3. การวิเคราะห์เชิงทดลองและตัวเลข
3.1 หลักการเลเซอร์ของ USP
เลเซอร์พัลส์แบบสั้นพิเศษ (USP) สร้างระยะเวลาพัลส์ที่สั้นมาก โดยทั่วไปจะอยู่ในช่วงเฟมโตวินาที (10⁻¹⁵ s) ถึงพิโควินาที (10⁻¹² s) เลเซอร์เหล่านี้อาศัยเอฟเฟกต์แสงแบบไม่เชิงเส้นและเลนส์ที่เร็วมาก
ส่วนประกอบหลักของเลเซอร์ USP คือช่องเรโซแนนซ์ ซึ่งมีตัวกลางเลเซอร์ (เช่น Nd:YAG หรือ Ti:คริสตัลแซฟไฟร์) และแหล่งกำเนิดเกน (เช่น ไดโอดเลเซอร์หรือไฟแฟลช) กระบวนการขยายสัญญาณเกิดขึ้นจากการปล่อยก๊าซกระตุ้น โดยที่โฟตอนจะสะท้อนซ้ำๆ ระหว่างกระจกในช่องต่างๆ และถูกขยายออก จนกลายเป็นลำแสงเอาท์พุตที่ทรงพลังในที่สุด
เลเซอร์ USP บรรลุระยะเวลาพัลส์ที่สั้นมากโดยใช้ประโยชน์จากเอฟเฟกต์แสงที่ไม่เป็นเชิงเส้น เช่น การมอดูเลตเฟสตัวเอง- และการหักเหแบบไม่เชิงเส้น องค์ประกอบเชิงแสง เช่น ความถี่-ผลึกหรือเส้นใยที่เพิ่มเป็นสองเท่าช่วยขยายและบีบอัดสเปกตรัมของพัลส์ ไปจนถึงระยะเวลาของพัลส์ในช่วงเฟมโตวินาที
รูปที่ 1 – วิวัฒนาการของอุณหภูมิที่กำลังเลเซอร์ต่างกัน
รูปที่ 1 แสดงให้เห็นว่าอุณหภูมิเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรด้วยกำลังเลเซอร์ที่แตกต่างกัน
กำลังสูง (เส้นโค้งสีแดง):อุณหภูมิเกินเกณฑ์การหลอมละลายและการระเหย
พลังงานต่ำ (เส้นโค้งสีเขียว):อุณหภูมิไม่เพียงพอสำหรับการหลอม
กำลังที่เหมาะสมที่สุด (เส้นโค้งสีน้ำเงิน):ช่วยให้ละลายได้โดยไม่ต้องระเหย
รูปที่ 2 – รูปภาพ SEM ของผงหยาบและละเอียด
Ceit พัฒนาผงโลหะที่ทำให้เป็นแก๊ส{0}}แบบกำหนดเองสำหรับ AM มีการใช้ผงสองประเภท:
ผงหยาบ (20–45 µm)
ผงละเอียด (<20 µm)
ผงละเอียดได้รับการปรับปรุงการควบคุมการหลอมและความสม่ำเสมอของชั้น
รูปที่ 3 – กระบวนการสะสมชั้นแรก
เพื่อเพิ่มการยึดเกาะของผง พื้นผิวได้รับการบำบัดด้วยเลเซอร์-เป็นครั้งแรกเพื่อเพิ่มความหยาบของพื้นผิว การวิเคราะห์เชิงโปรไฟล์แสดงให้เห็นความหยาบของพื้นผิว (Sa) 3.3 ไมโครเมตร และความลึก 51.499 ไมโครเมตร จากนั้นจึงทาชั้นต่างๆ โดยใช้วิธีเบลด เพื่อให้ได้ความหนาสม่ำเสมอ:
ผงหยาบ: ชั้น 100–200 µm
ผงละเอียด: ชั้น 50 µm
รูปที่ 4 – ผลกระทบด้านพลังงานต่อการแปรรูปผงหยาบ
การใช้เลเซอร์ USP ใน AM ถือเป็นความท้าทาย นั่นคือการหลอมผงโดยไม่ทำให้เกิดการระเหย พลังงานที่มากเกินไปทำให้เกิดการหลุดของอนุภาคหรือความเสียหายของวัสดุพิมพ์ การลดกำลังเลเซอร์ให้ต่ำกว่าเกณฑ์การระเหยส่งผลให้การหลอมละลายสำเร็จ
ที่กำลังไฟต่ำกว่า 0.5 W ผงละเอียดยังคงไม่ได้รับผลกระทบ ในขณะที่อยู่เหนือเกณฑ์นี้ อนุภาคจะละลายและรวมตัวกันเป็นทรงกลมขนาดใหญ่ขึ้น
รูปที่ 5 – การเปลี่ยนแปลงพลังงานของผงละเอียด
กำลังเพิ่มขึ้นจาก 0.59 W เป็น 0.765 W เพิ่มประสิทธิภาพการหลอม ส่งผลให้พื้นผิวเรียบเนียนและสม่ำเสมอยิ่งขึ้น ความหยาบผิว (Sa) ลดลงจาก 3.45 µm เป็น 2.58 µm
รูปที่ 6 – ผลของความเร็วในการสแกน
ที่ 0.674 W และระยะฟัก 10 µm:
การลดความเร็วในการสแกนจาก 5 มม./วินาที เป็น 2.5 มม./วินาที เพิ่มการสะสมความร้อนและการรวมตัวกันของอนุภาค ขยายคลัสเตอร์และเพิ่ม Sa จาก 5.43 µm เป็น 6.75 µm
ที่ 0.765 W การสแกนที่ช้าลงทำให้ได้ผลลัพธ์ที่นุ่มนวลขึ้น (Sa γ 3.9–4.1 µm)
รูปที่ 7 – ผลรวมของพลังและความเร็ว
ที่ระดับพลังงานที่สูงขึ้น (0.85–0.935 W) และความเร็วในการสแกนลดลงเหลือ 2.5 มม./วินาที Sa ลดลงอีกเป็น 3.5–3.8 µm ต่ำกว่า 1.5 มม./วินาที ความร้อนสูงเกินไปทำให้ผงแตกและไหม้
รูปที่ 8 - การลดระยะฟักไข่
การลดระยะฟักจาก 7 µm เป็น 5 µm ปรับปรุงคุณภาพพื้นผิวอย่างมีนัยสำคัญ - Sa ลดลงจาก 6.75 µm เป็น 4.1 µm ระยะห่างที่มากเกินไปทำให้เกิดการหลอมละลายและการก่อตัวของข้อบกพร่องที่ไม่สม่ำเสมอ
รูปที่ 9 - อิทธิพลของระยะฟัก
ภายในหน้าต่างกำลังและความเร็วที่เหมาะสม การลดระยะฟักทำให้พื้นผิวมีความสม่ำเสมอดีขึ้นอย่างต่อเนื่อง ทำให้ได้ Sa ต่ำเพียง 2–3 µm จำเป็นต้องปรับความเร็วเพื่อรักษาสมดุลการสะสมความร้อน
รูปที่ 10 – พารามิเตอร์กระบวนการที่เหมาะสมที่สุด
สภาวะการประมวลผลที่ดีที่สุดได้พื้นผิวหลอมเหลวที่มีความสม่ำเสมอสูง โดยมี Sa อยู่ที่ 2.37 µm โดยใช้:
กำลังเลเซอร์:0.775 W
ความเร็วในการสแกน:2.5 มม./วินาที
ระยะฟัก:7.5 µm
4. บทสรุป
เพื่อประเมินศักยภาพของเลเซอร์ USP ในการผลิตแบบเติมเนื้อ เลเซอร์ femtosecond ถูกรวมเข้ากับกระบวนการ LPBF โดยใช้ผงเหล็กสเตนเลส-สองประเภท การศึกษาสรุปได้ว่าพลังเลเซอร์เป็นปัจจัยที่สำคัญที่สุด - พลังงานที่มากเกินไปทำให้เกิดการระเหย ในขณะที่พลังงานที่มากเกินไปจะป้องกันการหลอมละลาย
เมื่อสร้างกระจกไฟฟ้าที่เหมาะสมที่สุดแล้ว (0.775–0.935 วัตต์) -การปรับความเร็วการสแกนและระยะฟักอย่างละเอียดจะช่วยปรับปรุงความเรียบเนียนของพื้นผิวให้ดียิ่งขึ้น ผลลัพธ์ที่ดีที่สุดเกิดขึ้นที่:
พลัง: 0.775–0.935 W
ความเร็วในการสแกน:2.5 มม./วินาที
ระยะฟัก: 5–7.5 µm
ภายใต้พารามิเตอร์ที่ได้รับการปรับปรุงเหล่านี้ ทำให้ได้การหลอมละลายที่สม่ำเสมอและความขรุขระของพื้นผิวที่น้อยที่สุด ซึ่งยืนยันความเป็นไปได้ของเลเซอร์ USP สำหรับการผลิตสารเติมแต่งที่มีความแม่นยำสูง-ของส่วนประกอบระดับไมโคร-
