بحث حول ظروف عملية تصنيع مادة الفيمتو ثانية بالليزر للفولاذ المقاوم للصدأ

1. مقدمة الورقة

في التصنيع الإضافي (AM)، يمكن استخدام أشعة الليزر النبضية فائقة القصر (USP) لمعالجة مواد مختلفة وربما تقليل حجم وشكل الأجزاء المصنعة باستخدام هذه التقنية. يوضح هذا العمل أن ليزر USP يعد بديلاً قابلاً للتطبيق لدمج طبقة مسحوق الليزر (LPBF)، خاصة عندما تكون هناك حاجة إلى دقة أعلى في تصنيع بعض الأجزاء المهمة. حققت الدراسة النتائج المرجوة باستخدام جزيئات مسحوق الفولاذ المقاوم للصدأ -المصنوعة حسب الطلب والذاتية-، وتصنيع طبقات مربعة متسقة من خلال سلسلة من معلمات العملية المحسنة.

تؤكد هذه الدراسة أن معلمات العملية تلعب دورًا حاسمًا عند استخدام هذا النوع من الليزر، حيث أن الانحرافات الصغيرة في أي معلمة واحدة يمكن أن تؤدي إلى ذوبان غير كامل. تم تحقيق الذوبان بمعدلات تكرار نبض منخفضة (500 كيلو هرتز) ومتوسط ​​​​قيم طاقة الليزر منخفضة (0.5-1 واط) عن طريق تقليل سرعة المسح لتوليد تراكم الحرارة. وهذا يفتح إمكانيات تقليل الحد الأدنى لحجم الأجزاء بشكل أكبر وهو أمر مهم عند استخدام ليزر USP في AM.

2. نظرة عامة على النص الكامل
مع تطور تكنولوجيا التصنيع الإضافي، يتمتع ليزر الفيمتو ثانية بآفاق تطبيقية واسعة في معالجة الفولاذ المقاوم للصدأ 316L بالليزر. يلخص هذا البحث ويقدم ورقة بحثية حول دراسة معلمات العملية في معالجة الفيمتو ثانية بالليزر للفولاذ المقاوم للصدأ 316L. كان الهدف الرئيسي من هذا البحث هو دراسة تأثيرات معلمات العملية مثل قوة الليزر وحجم جسيمات المسحوق وسرعة المسح ومسافة خط الظل على جودة وأداء المواد المعالجة، من أجل تحسين ظروف المعالجة.

في هذه الدراسة، قدم فريق البحث أولاً خصائص وقابلية تطبيق الفولاذ المقاوم للصدأ 316L وشرح بالتفصيل مبادئ وعمليات معالجة الفيمتو ثانية بالليزر. وبعد ذلك، ركزوا على تأثير معلمات العملية الرئيسية مثل طاقة الليزر، وحجم جسيمات المسحوق، وسرعة المسح، ومسافة خط الظل على جودة المعالجة.

من خلال البحث التجريبي، حدد فريق البحث نطاق طاقة الليزر المناسب لتجنب الاستئصال المفرط والأضرار المادية. كما قاموا بدراسة تأثير أحجام جزيئات المسحوق المختلفة على جودة المعالجة، ووجدوا أن أحجام جزيئات المسحوق الدقيقة يمكن أن تحقق تحكمًا أفضل في حوض السباحة المنصهر ودقة أعلى في التشكيل. علاوة على ذلك، استكشف فريق البحث تأثيرات سرعة المسح ومسافة خط الظل على جودة السطح وكفاءة معالجة المكونات. ومن خلال ضبط سرعة المسح ومسافة خط الظل، نجحوا في تقليل عيوب السطح وتكوين الفراغات وتحسين جودة وكفاءة المعالجة.

أخيرًا، ناقش فريق البحث آفاق تطبيق ليزر الفيمتو ثانية في معالجة الفولاذ المقاوم للصدأ 316L بالليزر، وأشاروا إلى التحديات في البحث الحالي واتجاهات التطوير المستقبلية.

3. التحليل الرسومي يمكن لأشعة الليزر النبضية فائقة القصر (USP) أن تولد عروض نبض قصيرة للغاية، عادةً خلال نطاق زمني يتراوح بين الفيمتو ثانية (10⁻¹⁵ ثانية) إلى بيكو ثانية (10⁻¹² ثانية). يعتمد مبدأ ليزر USP على التأثيرات البصرية غير الخطية وتكنولوجيا البصريات فائقة السرعة.

المكون الأساسي لليزر USP هو تجويف رنين الليزر، والذي يتضمن وسط ليزر (مثل بلورة Nd:YAG أو بلورة Ti:sapphire) ووسط كسب ليزر (مثل صمام ثنائي ليزر أو مصباح فلاش) يعمل على تضخيم الضوء.

تتم عملية تضخيم الليزر من خلال الانبعاث المحفز. تحت تأثير مصدر الإثارة (مثل صمام ثنائي ليزر أو مصباح فلاش)، يتم إثارة الذرات أو الأيونات الموجودة في وسط الليزر إلى مستوى طاقة مرتفع. وعندما تعود إلى الحالة الأرضية، فإنها تطلق الفوتونات من خلال الانبعاث المحفز. تنعكس هذه الفوتونات ذهابًا وإيابًا في تجويف الرنين، ويتم تضخيمها بواسطة وسط الكسب، وتشكل أخيرًا خرج ليزر قوي.

ليزر USP قادر على توليد نبضات فائقة القصر من خلال الاستفادة من التأثيرات غير الخطية للضوء والبصريات فائقة السرعة. في وسط الليزر، يؤدي انتشار الضوء إلى إحداث تأثيرات غير خطية مثل تعديل الطور الذاتي- والانكسار البصري غير الخطي. تسبب هذه التأثيرات تغيرات في طيف النبض، مما يجعله أوسع. من خلال إدخال عناصر بصرية غير خطية (مثل بلورات مضاعفة التردد أو الألياف الضوئية) في تجويف الرنين، يمكن تعديل طيف النبض بشكل أكبر، مما يؤدي إلى تضييقه وتشكيل نبضات فائقة القصر.

علاوة على ذلك، يستخدم ليزر USP بصريات فائقة السرعة لتحقيق ضغط النبض. باستخدام عناصر مثل الشبكات، والألياف الضوئية، والبلورات غير الخطية، يمكن ضغط النبض في الوقت المناسب، وتحقيق عرض النبض في نطاق الفيمتو ثانية والبيكو ثانية.

ويبين الشكل 1 تطور درجة الحرارة تحت قيم طاقة الليزر المختلفة. عندما تكون قيمة الطاقة مرتفعة جدًا (المنحنى الأحمر)، تتجاوز درجة الحرارة عتبة الذوبان والاجتثاث؛ بينما عندما تكون قيمة الطاقة منخفضة جدًا (المنحنى الأخضر)، فإن درجة الحرارة لا تصل إلى عتبة الانصهار. عند قيمة الطاقة المثلى (المنحنى الأزرق)، تكون درجة الحرارة كافية لإذابة المادة دون التسبب في الاجتثاث.

شركة Ceit قادرة على توفير مساحيق معدنية مخصصة لـ AM. وللاستفادة من هذه الميزة، بدأت شركة Ceit في استخدام جزيئات المسحوق المعدنية المذرية الخاصة بها والتي تعمل بالغاز-. للتحقق من تأثير حجم جسيمات المسحوق على النتائج، تم اختيار حجمين مختلفين من المسحوق وتمت تسميتهما بالترتيب، مسحوق خشن (توزيع حجم الجسيمات 20-45 ميكرومتر) ومسحوق ناعم (<20µm particle size distribution) to distinguish them, as shown in Figure 2.

لمواجهة التحدي المتمثل في تحقيق ترسيب المسحوق الناعم المطلوب، تمت معالجة سطح الركيزة أولًا بالليزر-لزيادة خشونته وتعزيز الالتصاق بين الركيزة والمسحوق. بعد عملية الاستئصال بالليزر، تم تحديد لمحة عن المنطقة المعالجة باستخدام مقياس بيانات بصري ثلاثي الأبعاد (Sensofar S Neox)، مما أسفر عن قيمة Sa تبلغ 3.3 ميكرومتر وعمق 51.499 ميكرومتر. تم بعد ذلك تطبيق الطبقة الأولى على هذه المنطقة باستخدام شفرة بدون أخاديد، مما يسمح للمسحوق بملء الركيزة والالتصاق بها. بعد ذلك، تم تطبيق طبقات لاحقة باستخدام مجموعة من الشفرات مع الأخاديد المضافة، لتشكيل هياكل يصل سمكها إلى 250 ميكرومتر. حققت هذه الطريقة سماكة طبقة موحدة: 100 و200 ميكرومتر للمساحيق الخشنة و50 ميكرومتر للمساحيق الناعمة. تم تنفيذ عملية طلاء المسحوق باستخدام شفرة، كما هو مبين في الشكل 3.

عند تطبيق ليزر USP على AM، يتمثل التحدي الرئيسي في توصيل الطاقة العالية لنبضات ليزر الفيمتو ثانية إلى المساحيق المعدنية لإذابتها مع تجنب الاجتثاث. يحدث الاستئصال إذا كانت الطاقة عالية جدًا أو كان معدل التسليم غير صحيح. يمكن أن يحدث الاجتثاث في جزيئات المسحوق أو الركيزة. يؤدي هذا الأخير إلى إخراج الجزيئات من منطقة المعالجة إلى المنطقة المحيطة بها، كما هو موضح في الأشكال 4 أ) إلى ج).

من خلال تقليل الطاقة إلى ما دون الحد الأقصى للقيمة المقبولة لنطاق الاجتثاث، يمكن ملاحظة انتقال سريع نسبيًا من الركيزة المتحللة تمامًا إلى عدم وجود تأثير على الركيزة أو المسحوق. وهذا يتوافق تمامًا مع النتائج التي توصل إليها جرونينجديك وماير في تجاربهما. يوجد هذا الانتقال أيضًا عند استخدام نبضات أطول، لكن نافذة العملية تكون أضيق بشكل ملحوظ في حالة نبضات الفيمتو ثانية. وفي التجارب التي استخدمت المساحيق الدقيقة، تم العثور أيضًا على حد أدنى لا يتأثر المسحوق تحته. في هذه الحالة، لوحظت نتائج مماثلة لتلك التي لوحظت في الشكل 4-د) عندما كانت الطاقة أقل من 0.5 واط. وعندما زادت الطاقة فوق هذه القيمة، بدأ المسحوق في الذوبان، وتجمعت الجزيئات لتشكل مجالات أكبر.

أولاً، تم ضبط قوة الليزر إلى الحد الأدنى لعملية النافذة، باستخدام قيم الطاقة البالغة 0.68 واط و0.765 واط. وبعد ذلك، تم تقليل سرعة المسح من 5 مم/ثانية إلى أقل قيمة ممكنة. للاختبار الأول، استخدمنا 0.68 واط. مع زيادة عدد النبضات لكل وحدة مساحة، زاد تراكم الحرارة، وبدأ مسحوق المعدن في الذوبان، والتصقت الجزيئات ببعضها البعض، وشكلت جزيئات أكبر من خلال التكتل.

في الشكل 6، عندما تم تخفيض سرعة المسح إلى نصف قيمتها الأصلية، يمكننا أن نلاحظ زيادة في حجم الجسيمات، مما أدى إلى تكوين تكتلات مسحوق أكبر في منطقة العملية. تسببت هذه الزيادة في الحجم في زيادة Sa من 5.43 ميكرومتر إلى 6.75 ميكرومتر. على العكس من ذلك، في التجربة التي أجريت عند 0.765 وات، أدى تقليل سرعة المسح إلى انخفاض طفيف في Sa من 6.89 ميكرومتر. في كلا مستويي الطاقة، أدى تقليل سرعة المسح إلى نتائج أفضل، مما أدى إلى تقليل قيمة Sa إلى 3.9-4.1 ميكرومتر. وذلك لأنه مع انخفاض السرعة، تميل التكتلات إلى الاندماج في طبقة واحدة، مما يؤدي إلى بنية أكثر تجانسًا.