מחקר על תנאי תהליך של ייצור תוסף פלדת אל חלד בלייזר פמט שנייה

סקירת נייר

1. הקדמה

בייצור תוסף (AM), לייזרים פולסים קצרים (USP) מאפשרים עיבוד של מגוון רחב של חומרים ומציעים פוטנציאל להפחתת הממדים והמורכבות של רכיבים מיוצרים. מחקר זה מדגים את ההיתכנות של שימוש בלייזרי USP כחלופה למערכות לייזר Powder Bed Fusion (LPBF), במיוחד לייצור חלקים קריטיים הדורשים דיוק גבוה יותר. באמצעות חלקיקי אבקת פלדה מפלדה-מותאמת אישית ו-מיוצרת עצמית, השיגו החוקרים את התוצאות הרצויות ויצרו בהצלחה שכבות ריבועיות עקביות על ידי אופטימיזציה של סדרה של פרמטרי עיבוד.

המחקר מאשר שפרמטרי תהליך ממלאים תפקיד קריטי בעת שימוש בלייזרי USP - אפילו סטיות קלות בפרמטרים אלו עלולות לגרום להתכה לא מלאה. על ידי הפחתת מהירות הסריקה כדי לקדם הצטברות חום, הושגה התכה בתדרי חזרת פולסים נמוכים (500 קילו-הרץ) והספקי לייזר ממוצעים נמוכים (0.5-1 ואט). גישה זו מספקת את הפוטנציאל לצמצם עוד יותר את גודל החלק, אשר משמעותי לקידום AM באמצעות מקורות לייזר USP.

2. סיכום המחקר

עם הפיתוח המתמשך של ייצור תוסף, לייזרים של פמט שנייה מראים פוטנציאל מבטיח לעיבוד פלדת אל חלד 316L. מאמר זה מסכם וסוקר מחקר על השפעת פרמטרי תהליך בעיבוד לייזר פמט-שנייה של פלדת אל חלד 316L. המטרה העיקרית של המחקר היא לחקור כיצד כוח הלייזר, גודל חלקיקי האבקה, מהירות הסריקה ומרחק הבקעה משפיעים על איכות העיבוד וביצועי החומר, על מנת לייעל את תנאי הייצור.

החוקרים הציגו תחילה את המאפיינים וההתאמה של פלדת אל-חלד 316L, ולאחר מכן פירטו את עקרון העבודה ומנגנוני עיבוד הלייזר של פמט-שנייה. לאחר מכן, הם התמקדו כיצד פרמטרים מרכזיים - כולל כוח לייזר, גודל חלקיקים, מהירות סריקה ומרחק הבקעה - משפיעים על איכות החומר.

באמצעות מחקרים ניסיוניים, הצוות זיהה טווח כוח לייזר אופטימלי למניעת אבלציה מוגזמת ונזק חומרי. הם גם מצאו שחלקיקי אבקה עדינים יותר מובילים לשליטה טובה יותר בבריכת ההיתוך ולדיוק יצירתי גבוה יותר. יתרה מכך, התאמות במהירות הסריקה ובמרחק הבקעה הוכחו כמפחיתות פגמי פני השטח ונקבוביות, ומשפרות הן את האיכות והן את היעילות.

לבסוף, המחקר דן בסיכויי היישום של לייזרים פמט-שניות בייצור נירוסטה 316L, תוך הדגשת אתגרים נוכחיים וכיווני מחקר עתידיים.

3. ניתוח ניסויים ואיורים

3.1 עקרון הלייזר USP

לייזרים עם דופק אולטרה-קצר (USP) מייצרים משכי דופק קצרים ביותר, בדרך כלל בטווח הפמטו-שניות (10⁻¹⁵ שניות) עד פיקו-שניות (10⁻¹² שניות). לייזרים אלה מסתמכים על אפקטים אופטיים לא ליניאריים ואופטיקה מהירה במיוחד.
מרכיב הליבה של לייזר USP הוא חלל התהודה, המכיל מדיום לייזר (למשל, Nd:YAG או Ti: קריסטל ספיר) ומקור רווח (כגון דיודות לייזר או מנורות הבזק). תהליך ההגברה מתרחש באמצעות פליטה מגורה, שבה פוטונים משתקפים שוב ושוב בין מראות בחלל ומוגברים, ובסופו של דבר יוצרים אלומת פלט עוצמתית.

לייזרים USP משיגים משכי דופק קצרים במיוחד על ידי מינוף אפקטים אופטיים לא ליניאריים כגון אפנון-עצמי של פאזה ושבירה לא ליניארית. אלמנטים אופטיים כמו תדר-הכפלת גבישים או סיבים עוזרים להרחיב ולדחוס את ספקטרום הדופק, ומגיעים למשכי פולסים בטווח הפמטו-שניות.

איור 1 - התפתחות טמפרטורה בהספקים שונים של לייזר

איור 1 ממחיש כיצד משתנה הטמפרטורה בעוצמת לייזר משתנה.

הספק גבוה (עקומה אדומה):הטמפרטורה עולה על ספי ההיתוך והאבלציה.

הספק נמוך (עקומה ירוקה):טמפרטורה לא מספקת להמסה.

כוח אופטימלי (עקומה כחולה):מאפשר התכה ללא אבלציה.

איור 2 - תמונות SEM של אבקות גסות ועדינות

Ceit פיתחה אבקות מתכת-מותאמת אישית עבור AM. נעשה שימוש בשני סוגי אבקה:

אבקה גסה (20-45 מיקרומטר)

אבקה עדינה (<20 µm)
אבקות עדינות השיגו בקרת התכה משופרת ואחידות שכבות.

איור 3 - תהליך הנחת השכבה הראשונה

כדי לשפר את הידבקות האבקה, המצע עבר טיפול לייזר-תחילה כדי להגביר את חספוס פני השטח. ניתוח פרופילומטרי הראה חספוס פני השטח (Sa) של 3.3 מיקרומטר ועומק של 51.499 מיקרון. לאחר מכן יושמו שכבות בשיטת להב, תוך השגת עובי אחיד:

אבקה גסה: שכבות 100-200 מיקרון

אבקה דקה: שכבות 50 מיקרומטר

איור 4 - אפקט כוח על עיבוד אבקה גס

שימוש בלייזרי USP ב-AM מהווה אתגר: המסת האבקה מבלי לגרום לאבלציה. עודף כוח מוביל לפליטת חלקיקים או נזק למצע. הפחתת כוח הלייזר מתחת לסף אבלציה מביאה להמסה מוצלחת.
בהספקים מתחת ל-0.5 W, האבקה העדינה נשארת לא מושפעת, בעוד שמעל סף זה, חלקיקים נמסים ומתלכדים לכדורים גדולים יותר.

איור 5 - שינוי הספק על אבקות עדינות

הגדלת הספק מ-0.59 ואט ל-0.765 וואט משופרת התכה, מייצרת משטחים חלקים ואחידים יותר. חספוס פני השטח (Sa) ירד מ-3.45 מיקרומטר ל-2.58 מיקרומטר.

איור 6 - השפעת מהירות הסריקה

ב-0.674 W ובמרחק של 10 מיקרומטר:

הפחתת מהירות הסריקה מ-5 מ"מ/שניה ל-2.5 מ"מ/שניה הגבירה את הצטברות החום ואת התאחדות החלקיקים, הגדלה של אשכולות והעלאת Sa מ-5.43 מיקרומטר ל-6.75 מיקרון.
ב-0.765 W, סריקה איטית יותר הובילה לתוצאות חלקות יותר (Sa ≈ 3.9-4.1 מיקרומטר).

איור 7 - השפעה משולבת של כוח ומהירות

ברמות הספק גבוהות יותר (0.85–0.935 ואט) ובמהירויות סריקה עד 2.5 מ"מ לשנייה, Sa ירד עוד יותר ל-3.5–3.8 מיקרומטר. מתחת ל-1.5 מ"מ לשנייה, התחממות יתר גרמה לקרע של אבקה ולצריבה.

איור 8 - הפחתת מרחק הבקעה

צמצום מרחק הבקעה מ-7 מיקרומטר ל-5 מיקרומטר שיפרה את איכות פני השטח באופן משמעותי - Sa ירד מ-6.75 מיקרומטר ל-4.1 מיקרומטר. מרחקים גדולים מדי הובילו להתכה לא אחידה ולהיווצרות פגמים.

איור 9 - השפעת מרחק הבקעה

בתוך חלונות כוח ומהירות אופטימליים, הפחתת מרחק הבקעה שיפרה באופן עקבי את אחידות פני השטח, והשיגה Sa נמוך כמו 2-3 מיקרומטר. התאמות במהירות היו נחוצות כדי לאזן את הצטברות החום.

איור 10 - פרמטרים אופטימליים של תהליך

תנאי העיבוד הטובים ביותר השיג משטח נמס מאוד אחיד עם Sa של 2.37 מיקרומטר באמצעות:

כוח לייזר:0.775 W

מהירות סריקה:2.5 מ"מ/שנייה

מרחק הבקעה:7.5 µm

4. מסקנה

כדי להעריך את הפוטנציאל של לייזרים USP בייצור תוסף, לייזרים של פמט-שנייה שולבו בתהליך LPBF תוך שימוש בשני סוגים של אבקות נירוסטה-. המחקר מסיק זאתכוח לייזרהוא הגורם הקריטי ביותר - כוח מוגזם גורם לאבלציה, בעוד שמעט מדי מונע התכה.

לאחר שהוקם חלון חשמלי אופטימלי (0.775–0.935 W), כוונון עדין- של מהירות הסריקה ומרחק הבקעה שיפר עוד יותר את חלקות פני השטח. התוצאות הטובות ביותר הושגו ב:

כּוֹחַ: 0.775–0.935 W

מהירות סריקה:2.5 מ"מ/שנייה

מרחק הבקעה: 5–7.5 µm

תחת פרמטרים אופטימליים אלו, הושגו התכה אחידה וחספוס מינימלי של פני השטח, המאשרים את היתכנותם של לייזרים USP לייצור תוסף-בדיוק גבוה של רכיבים בקנה מידה מיקרו-.