1. Ponència Introducció
En la fabricació additiva (AM), els làsers de pols ultracurt (USP) es poden utilitzar per processar diversos materials i, potencialment, reduir la mida i la forma de les peces fabricades amb aquesta tecnologia. Aquest treball demostra que els làsers USP són una alternativa viable a la fusió làser en llit de pols (LPBF), especialment quan es requereix una major precisió en la fabricació de determinades peces crítiques. L'estudi va aconseguir els resultats desitjats mitjançant partícules de pols d'acer inoxidable-fabricades a mida i fetes a mida-, i van fabricar capes quadrades consistents mitjançant una sèrie de paràmetres de procés optimitzats.
Aquest estudi confirma que els paràmetres del procés tenen un paper crucial quan s'utilitza aquest tipus de làser, ja que fins i tot petites desviacions en qualsevol paràmetre poden conduir a una fusió incompleta. La fusió es va aconseguir a baixes taxes de repetició de pols (500 kHz) i valors de potència làser mitjana baixa (0,5-1 W) reduint la velocitat d'exploració per generar acumulació de calor. Això obre possibilitats per reduir encara més la mida mínima de les peces i és important quan s'utilitzen làsers USP en AM.
2. Visió general del text complet
Amb el desenvolupament de la tecnologia de fabricació additiva, els làsers femtosegons tenen àmplies perspectives d'aplicació en el processament làser d'acer inoxidable 316L. Aquest article resumeix i presenta un treball de recerca sobre l'estudi dels paràmetres del procés en el processament làser de femtosegons d'acer inoxidable 316L. L'objectiu principal d'aquesta investigació va ser investigar els efectes de paràmetres de procés com la potència del làser, la mida de les partícules de pols, la velocitat d'escaneig i la distància de la línia d'ombra sobre la qualitat i el rendiment del material processat, per tal d'optimitzar les condicions de processament.
En l'estudi, l'equip d'investigació va presentar per primera vegada les característiques i l'aplicabilitat de l'acer inoxidable 316L i va elaborar els principis i els processos del processament làser de femtosegons. Posteriorment, es van centrar en la influència dels paràmetres clau del procés, com ara la potència del làser, la mida de les partícules de pols, la velocitat d'escaneig i la distància de la línia d'ombra en la qualitat del processament.
Mitjançant investigacions experimentals, l'equip d'investigació va determinar un rang de potència làser adequat per evitar una ablació excessiva i danys materials. També van estudiar l'efecte de diferents mides de partícules de pols sobre la qualitat del processament, trobant que les mides de partícules de pols més fines podrien aconseguir un millor control de la piscina fosa i una major precisió de formació. A més, l'equip de recerca va explorar els efectes de la velocitat d'escaneig i la distància de la línia d'ombra sobre la qualitat de la superfície i l'eficiència de processament dels components. En ajustar la velocitat d'escaneig i la distància de la línia d'ombra, van reduir amb èxit els defectes superficials i la formació de buits, i van millorar la qualitat i l'eficiència del processament.
Finalment, l'equip d'investigació va discutir les perspectives d'aplicació dels làsers de femtosegons en el processament làser d'acer inoxidable 316L i va assenyalar els reptes de la investigació actual i les direccions de desenvolupament futur.
3. Anàlisi gràfica Els làsers de pols ultrashort (USP) poden generar amplades de pols extremadament curtes, normalment dins l'escala de temps de femtosegons (10⁻¹⁵ segons) a picosegons (10⁻¹² segons). El principi dels làsers USP es basa en efectes òptics no lineals i tecnologia òptica ultraràpida.
El component bàsic d'un làser USP és una cavitat ressonant làser, que inclou un medi làser (com un cristall Nd:YAG o un cristall Ti:safir) i un mitjà de guany làser (com un díode làser o una làmpada de flaix) que amplifica la llum.
El procés d'amplificació làser s'aconsegueix mitjançant emissió estimulada. Sota l'acció de la font d'excitació (com ara un díode làser o una làmpada de flaix), els àtoms o ions del medi làser s'exciten a un alt nivell d'energia. Quan tornen a l'estat fonamental, alliberen fotons mitjançant l'emissió estimulada. Aquests fotons es reflecteixen d'anada i tornada a la cavitat ressonant, amplificats pel medi de guany, i finalment formen una potent sortida làser.
El làser USP és capaç de generar polsos ultracurts utilitzant els efectes no lineals de la llum i l'òptica ultra ràpida. En el medi làser, la propagació de la llum indueix efectes no lineals com ara la modulació d'auto-fase i la refracció òptica no lineal. Aquests efectes provoquen canvis en l'espectre del pols, fent-lo més ampli. Mitjançant la introducció d'elements òptics no lineals (com ara cristalls de duplicació de freqüència-o fibres òptiques) a la cavitat ressonant, l'espectre del pols es pot modular encara més, reduint-lo i formant polsos ultracurts.
A més, el làser USP utilitza òptiques ultraràpides per aconseguir la compressió del pols. Mitjançant l'ús d'elements com ara reixes, fibres òptiques i cristalls no lineals, el pols es pot comprimir en el temps, aconseguint amplades de pols en el rang de femtosegundo i picosegon.
La figura 1 mostra l'evolució de la temperatura sota diferents valors de potència làser. Quan el valor de potència és massa alt (corba vermella), la temperatura supera el llindar de fusió i ablació; mentre que quan el valor de potència és massa baix (corba verda), la temperatura no arriba al llindar de fusió. Al valor de potència òptim (corba blava), la temperatura és suficient per fondre el material sense provocar l'ablació.
Ceit és capaç de proporcionar pols metàl·liques personalitzades per a AM. Aprofitant aquest avantatge, Ceit ha començat a utilitzar les seves pròpies partícules de pols metàl·liques atomitzades amb gas fabricat-. Per investigar l'efecte de la mida de les partícules en pols sobre els resultats, s'han seleccionat dues mides de pols diferents i s'han anomenada, per ordre, pols gruixuda (distribució de la mida de partícula de 20-45 µm) i pols fina (<20µm particle size distribution) to distinguish them, as shown in Figure 2.
Per abordar el repte d'aconseguir la deposició de pols fina desitjada, primer es va tractar amb làser-la superfície del substrat per augmentar la seva rugositat i millorar l'adhesió entre el substrat i la pols. Després del procés d'ablació làser, la zona tractada es va perfilar mitjançant un perfilòmetre òptic 3D (Sensofar S Neox), donant un valor Sa de 3,3 µm i una profunditat de 51,499 µm. A continuació, es va aplicar una primera capa a aquesta zona mitjançant una fulla sense ranures, permetent que la pols s'ompli i s'adhereixi al substrat. Posteriorment, es van aplicar capes posteriors mitjançant una combinació de fulles amb solcs afegits, formant estructures de fins a 250 µm de gruix. Aquest mètode va aconseguir gruixos de capa uniformes: 100 i 200 µm per a pols gruixudes i 50 µm per pols fines. El procés de recobriment en pols es va realitzar amb una fulla, tal com es mostra a la figura 3.
Quan s'apliquen làsers USP a AM, un repte important és oferir l'alta energia dels polsos làser de femtosegons a pols metàl·liques per fondre'ls alhora que s'evita l'ablació. L'ablació es produeix si la potència és massa alta o la velocitat de lliurament és incorrecta. L'ablació pot produir-se a les partícules de pols o al substrat. Aquest últim fa que les partícules siguin expulsades de l'àrea de processament a l'àrea d'ablació circumdant, tal com es mostra a les figures 4a) a c).
En reduir la potència per sota del valor màxim acceptable de l'interval d'ablació, es pot observar una transició relativament ràpida des d'un substrat completament ablat a cap efecte sobre el substrat o la pols. Això és molt coherent amb els resultats trobats per Groeningdick i Mayer en els seus experiments. Aquesta transició també existeix quan s'utilitzen polsos més llargs, però la finestra del procés és significativament més estreta en el cas dels polsos de femtosegon. En experiments amb pols fines, també es va trobar un límit inferior per sota del qual la pols no es veu afectada. En aquest cas, es van observar resultats similars als observats a la figura 4-d) quan la potència era inferior a 0,5 W. Quan la potència augmentava per sobre d'aquest valor, la pols va començar a fondre's i les partícules es van agregar formant esferes més grans.
Primer, la potència del làser es va ajustar al límit inferior del procés de la finestra, utilitzant valors de potència de 0,68 W i 0,765 W. Aleshores, la velocitat d'escaneig es va reduir de 5 mm/s al valor més baix possible. Per a la primera prova, vam utilitzar 0,68 W. A mesura que augmentava el nombre de polsos per unitat d'àrea, augmentava l'acumulació de calor, la pols metàl·lica va començar a fondre, les partícules es van adherir entre si i van formar partícules més grans mitjançant l'aglomeració.
A la figura 6, quan la velocitat d'exploració es va reduir a la meitat del seu valor original, podem observar un augment de la mida de les partícules, donant lloc a la formació d'aglomerats de pols més grans a l'àrea de procés. Aquest augment de mida va fer que Sa augmentés de 5,43 µm a 6,75 µm. Per contra, en l'experiment realitzat a 0,765 W, la reducció de la velocitat d'escaneig va provocar una lleugera disminució de Sa a partir de 6,89 µm. En ambdós nivells de potència, reduir la velocitat d'escaneig va donar millors resultats, reduint el valor Sa a 3,9-4,1 µm. Això és degut a que a mesura que disminueix la velocitat, els aglomerats tendeixen a unir-se en una sola capa, donant lloc a una estructura més uniforme.
