نظرة عامة على الورق
1. مقدمة
في التصنيع الإضافي (AM)، تتيح أشعة الليزر النبضية فائقة القصر (USP) معالجة مجموعة واسعة من المواد وتوفر إمكانية تقليل أبعاد وتعقيد المكونات المصنعة. توضح هذه الدراسة جدوى استخدام ليزر USP كبديل لأنظمة Laser Powder Bed Fusion (LPBF)، خاصة لتصنيع الأجزاء المهمة التي تتطلب دقة أعلى. باستخدام جزيئات مسحوق الفولاذ المقاوم للصدأ-المخصصة والمنتجة ذاتيًا-، حقق الباحثون النتائج المرجوة ونجحوا في تصنيع طبقات مربعة متسقة من خلال تحسين سلسلة من معلمات المعالجة.
تؤكد الدراسة أن معلمات العملية تلعب دورًا حاسمًا عند استخدام ليزر USP - حتى الانحرافات البسيطة في هذه المعلمات يمكن أن تؤدي إلى ذوبان غير كامل. من خلال تقليل سرعة المسح لتعزيز تراكم الحرارة، تم تحقيق الذوبان عند ترددات تكرار النبض المنخفضة (500 كيلو هرتز) ومتوسط طاقة الليزر المنخفضة (0.5-1 واط). يوفر هذا النهج إمكانية تقليل حجم الجزء بشكل أكبر، وهو أمر مهم لتطوير AM باستخدام مصادر الليزر USP.
2. ملخص الدراسة
مع التطوير المستمر للتصنيع الإضافي، يُظهر ليزر الفيمتو ثانية إمكانات واعدة لمعالجة الفولاذ المقاوم للصدأ 316L. تلخص هذه الورقة وتستعرض دراسة حول تأثير معلمات العملية في معالجة الفيمتو ثانية بالليزر للفولاذ المقاوم للصدأ 316L. الهدف الرئيسي من البحث هو دراسة كيفية تأثير قوة الليزر وحجم جسيمات المسحوق وسرعة المسح ومسافة الفتحة على جودة المعالجة وأداء المواد، من أجل تحسين ظروف التصنيع.
قدم الباحثون أولاً خصائص وملاءمة الفولاذ المقاوم للصدأ 316L، ثم قاموا بتفصيل مبدأ العمل وآليات معالجة الفيمتو ثانية بالليزر. بعد ذلك، ركزوا على كيفية تأثير المعلمات الرئيسية - بما في ذلك قوة الليزر وحجم الجسيمات وسرعة المسح ومسافة الفتحة - على جودة المواد.
ومن خلال الدراسات التجريبية، حدد الفريق نطاق طاقة الليزر الأمثل لمنع الاستئصال المفرط والأضرار المادية. ووجدوا أيضًا أن جزيئات المسحوق الدقيقة تؤدي إلى تحكم أفضل في الذوبان ودقة تشكيل أعلى. علاوة على ذلك، تبين أن التعديلات في سرعة المسح ومسافة الفتحة تقلل من عيوب السطح والمسامية، مما يؤدي إلى تحسين الجودة والكفاءة.
أخيرًا، ناقشت الدراسة آفاق تطبيق ليزر الفيمتو ثانية في صناعة الفولاذ المقاوم للصدأ 316L، مع تسليط الضوء على التحديات الحالية واتجاهات البحث المستقبلية.
3. التحليل التجريبي والأرقام
3.1 مبدأ الليزر USP
تولد ليزرات النبضة الفائقة القصر (USP) فترات نبض قصيرة للغاية، عادةً في نطاق الفمتوثانية (10⁻¹⁵ ثانية) إلى البيكو ثانية (10⁻¹² ثانية). تعتمد أجهزة الليزر هذه على التأثيرات البصرية غير الخطية والبصريات فائقة السرعة.
المكون الأساسي لليزر USP هو تجويف الرنين، الذي يحتوي على وسط ليزر (على سبيل المثال، Nd:YAG أو Ti:sapphire crystal) ومصدر كسب (مثل صمامات الليزر الثنائية أو مصابيح الفلاش). تحدث عملية التضخيم من خلال الانبعاث المحفز، حيث تنعكس الفوتونات بشكل متكرر بين المرايا الموجودة في التجويف ويتم تضخيمها، وتشكل في النهاية شعاعًا قويًا.
يحقق ليزر USP فترات نبضية قصيرة جدًا من خلال الاستفادة من التأثيرات الضوئية غير الخطية مثل تعديل الطور الذاتي- والانكسار غير الخطي. تساعد العناصر البصرية مثل مضاعفة التردد- أو الألياف على توسيع نطاق النبض وضغطه، للوصول إلى فترات النبض في نطاق الفمتوثانية.
الشكل 1 - تطور درجة الحرارة عند قوى الليزر المختلفة
يوضح الشكل 1 كيف تتغير درجة الحرارة مع اختلاف قوة الليزر.
الطاقة العالية (المنحنى الأحمر):درجة الحرارة تتجاوز عتبات الانصهار والاجتثاث.
طاقة منخفضة (منحنى أخضر):درجة حرارة غير كافية للانصهار.
الطاقة المثلى (المنحنى الأزرق):تمكن ذوبان دون الاجتثاث.
الشكل 2 - صور SEM للمساحيق الخشنة والناعمة
قامت شركة Ceit بتطوير مساحيق معدنية مخصصة للغاز-من أجل AM. تم استخدام نوعين من المسحوق:
مسحوق خشن (20-45 ميكرومتر)
مسحوق ناعم(<20 µm)
حققت المساحيق الدقيقة تحكمًا محسنًا في الذوبان وتوحيد الطبقة.
الشكل 3 - عملية ترسيب الطبقة الأولى
لتعزيز التصاق المسحوق، تمت معالجة الركيزة أولاً بالليزر-لزيادة خشونة السطح. أظهر تحليل البيانات الشخصية خشونة السطح (Sa) بمقدار 3.3 ميكرومتر وعمق 51.499 ميكرومتر. ثم تم تطبيق الطبقات باستخدام طريقة الشفرة، لتحقيق سمك موحد:
مسحوق خشن: طبقات 100-200 ميكرومتر
مسحوق ناعم: طبقات 50 ميكرومتر
الشكل 4 - تأثير الطاقة على معالجة المسحوق الخشن
يمثل استخدام ليزر USP في AM تحديًا: إذابة المسحوق دون التسبب في الاجتثاث. تؤدي الطاقة الزائدة إلى طرد الجسيمات أو تلف الركيزة. يؤدي تقليل قوة الليزر إلى ما دون عتبة الاجتثاث إلى ذوبان ناجح.
عند قوى أقل من 0.5 واط، يظل المسحوق الناعم غير متأثر، بينما فوق هذه العتبة، تذوب الجزيئات وتتجمع في مجالات أكبر.
الشكل 5 - تباين الطاقة على المساحيق الدقيقة
تؤدي زيادة الطاقة من 0.59 واط إلى 0.765 واط إلى تعزيز الذوبان، مما يؤدي إلى إنتاج أسطح أكثر نعومة واتساقًا. انخفضت خشونة السطح (Sa) من 3.45 ميكرومتر إلى 2.58 ميكرومتر.
الشكل 6 - تأثير سرعة المسح
عند 0.674 واط ومسافة فتحة 10 ميكرون:
أدى تقليل سرعة المسح من 5 مم/ث إلى 2.5 مم/ث إلى زيادة تراكم الحرارة واندماج الجسيمات، وتوسيع المجموعات ورفع Sa من 5.43 ميكرومتر إلى 6.75 ميكرومتر.
عند 0.765 واط، أدى المسح الأبطأ إلى نتائج أكثر سلاسة (Sa ≈ 3.9–4.1 ميكرومتر).
الشكل 7 - التأثير المشترك للقوة والسرعة
عند مستويات طاقة أعلى (0.85–0.935 واط) وسرعات مسح تصل إلى 2.5 مم/ثانية، انخفض Sa أيضًا إلى 3.5–3.8 ميكرومتر. أقل من 1.5 مم/ثانية، تسبب ارتفاع درجة الحرارة في تمزق المسحوق واحتراقه.
الشكل 8 - تقليل مسافة الفتحة
أدى تقليل مسافة الفتحة من 7 ميكرومتر إلى 5 ميكرومتر إلى تحسين جودة السطح بشكل ملحوظ - انخفض Sa من 6.75 ميكرومتر إلى 4.1 ميكرومتر. أدت المسافات الكبيرة جدًا إلى ذوبان غير متساوٍ وتكوين عيوب.
الشكل 9 - تأثير مسافة الفقس
ضمن نوافذ القوة والسرعة المثلى، أدى تقليل مسافة الفتحة إلى تحسين تجانس السطح باستمرار، مما أدى إلى انخفاض Sa إلى 2-3 ميكرومتر. كانت التعديلات في السرعة ضرورية لموازنة تراكم الحرارة.
الشكل 10 - معلمات العملية المثلى
حققت أفضل حالة معالجة سطحًا منصهرًا منتظمًا للغاية مع Sa يبلغ 2.37 ميكرومتر باستخدام:
قوة الليزر:0.775 W
سرعة المسح:2.5 ملم/ثانية
مسافة الفتحة:7.5 µm
4. الاستنتاج
لتقييم إمكانات ليزر USP في التصنيع الإضافي، تم دمج ليزر الفيمتو ثانية في عملية LPBF باستخدام نوعين من مساحيق الفولاذ المقاوم للصدأ-. وتخلص الدراسة إلى ذلكقوة الليزرهو العامل الأكثر أهمية - القوة المفرطة تسبب الاجتثاث، في حين أن القليل جدًا يمنع الذوبان.
بمجرد إنشاء نافذة طاقة مثالية (0.775–0.935 واط)، أدى الضبط الدقيق لسرعة المسح ومسافة الفتحة إلى تحسين نعومة السطح. تم تحقيق أفضل النتائج في:
قوة: 0.775–0.935 W
سرعة المسح:2.5 ملم/ثانية
مسافة الفتحة: 5–7.5 µm
في ظل هذه المعلمات المحسنة، تم تحقيق ذوبان موحد والحد الأدنى من خشونة السطح، مما يؤكد جدوى ليزر USP في التصنيع الإضافي عالي الدقة للمكونات - ذات الحجم الصغير.
