1. Papiereinführung
In der additiven Fertigung (AM) können Ultrakurzpulslaser (UKP) zur Bearbeitung verschiedener Materialien eingesetzt werden und möglicherweise die Größe und Form der mit dieser Technologie hergestellten Teile reduzieren. Diese Arbeit zeigt, dass UKP-Laser eine praktikable Alternative zum Laser-Pulverbettschmelzen (LPBF) sind, insbesondere wenn bei der Herstellung bestimmter kritischer Teile eine höhere Präzision erforderlich ist. Die Studie erzielte die gewünschten Ergebnisse mit maßgeschneiderten -und selbst hergestellten -Edelstahlpulverpartikeln und stellte durch eine Reihe optimierter Prozessparameter konsistente quadratische Schichten her.
Diese Studie bestätigt, dass Prozessparameter beim Einsatz dieses Lasertyps eine entscheidende Rolle spielen, da bereits geringe Abweichungen in einem Parameter zu unvollständigem Schmelzen führen können. Das Schmelzen wurde bei niedrigen Pulswiederholungsraten (500 kHz) und niedrigen durchschnittlichen Laserleistungswerten (0,5–1 W) erreicht, indem die Scangeschwindigkeit reduziert wurde, um einen Wärmestau zu erzeugen. Dies eröffnet Möglichkeiten zur weiteren Reduzierung der Mindestgröße von Teilen und ist für den Einsatz von UKP-Lasern in der additiven Fertigung von Bedeutung.
2. Volltextübersicht
Mit der Entwicklung der additiven Fertigungstechnologie haben Femtosekundenlaser breite Anwendungsaussichten bei der Laserbearbeitung von Edelstahl 316L. In diesem Artikel wird ein Forschungsbericht zur Untersuchung von Prozessparametern bei der Femtosekundenlaserbearbeitung von 316L-Edelstahl zusammengefasst und vorgestellt. Das Hauptziel dieser Forschung bestand darin, die Auswirkungen von Prozessparametern wie Laserleistung, Pulverpartikelgröße, Scangeschwindigkeit und Schattenlinienabstand auf die Qualität und Leistung des verarbeiteten Materials zu untersuchen, um die Verarbeitungsbedingungen zu optimieren.
In der Studie stellte das Forschungsteam zunächst die Eigenschaften und Anwendbarkeit von Edelstahl 316L vor und erläuterte die Prinzipien und Prozesse der Femtosekunden-Laserbearbeitung. Anschließend konzentrierten sie sich auf den Einfluss wichtiger Prozessparameter wie Laserleistung, Pulverpartikelgröße, Scangeschwindigkeit und Schattenlinienabstand auf die Verarbeitungsqualität.
Durch experimentelle Forschung ermittelte das Forschungsteam einen geeigneten Laserleistungsbereich, um übermäßige Ablation und Materialschäden zu vermeiden. Sie untersuchten auch die Auswirkung unterschiedlicher Pulverpartikelgrößen auf die Verarbeitungsqualität und kamen zu dem Ergebnis, dass feinere Pulverpartikelgrößen eine bessere Kontrolle des Schmelzbades und eine höhere Formgenauigkeit ermöglichen könnten. Darüber hinaus untersuchte das Forschungsteam die Auswirkungen von Scangeschwindigkeit und Schattenlinienabstand auf die Oberflächenqualität und Verarbeitungseffizienz der Bauteile. Durch die Anpassung der Scangeschwindigkeit und des Schattenlinienabstands konnten Oberflächenfehler und Hohlraumbildung erfolgreich reduziert und die Verarbeitungsqualität und -effizienz verbessert werden.
Abschließend diskutierte das Forschungsteam die Anwendungsaussichten von Femtosekundenlasern bei der Laserbearbeitung von 316L-Edelstahl und wies auf die Herausforderungen in der aktuellen Forschung und zukünftigen Entwicklungsrichtungen hin.
3. Grafische Analyse Ultrakurzpulslaser (UKP) können extrem kurze Pulsbreiten erzeugen, typischerweise innerhalb der Zeitskala von Femtosekunden (10⁻¹⁵ Sekunden) bis Pikosekunden (10⁻¹² Sekunden). Das Prinzip von UKP-Lasern basiert auf optischen nichtlinearen Effekten und ultraschneller Optiktechnologie.
Die Kernkomponente eines UKP-Lasers ist ein Laserresonator, der ein Lasermedium (z. B. einen Nd:YAG-Kristall oder einen Ti:Saphir-Kristall) und ein Laserverstärkungsmedium (z. B. eine Laserdiode oder eine Blitzlampe) enthält, das das Licht verstärkt.
Der Laserverstärkungsprozess wird durch stimulierte Emission erreicht. Unter der Wirkung der Anregungsquelle (z. B. einer Laserdiode oder einer Blitzlampe) werden Atome oder Ionen im Lasermedium auf ein hohes Energieniveau angeregt. Wenn sie in den Grundzustand zurückkehren, setzen sie durch stimulierte Emission Photonen frei. Diese Photonen werden im Resonanzhohlraum hin und her reflektiert, durch das Verstärkungsmedium verstärkt und bilden schließlich einen leistungsstarken Laserausgang.
Der UKP-Laser ist in der Lage, ultrakurze Impulse zu erzeugen, indem er die nichtlinearen Effekte von Licht und ultraschneller Optik nutzt. Im Lasermedium induziert die Lichtausbreitung nichtlineare Effekte wie Selbstphasenmodulation und optische nichtlineare Brechung. Diese Effekte führen zu Veränderungen im Pulsspektrum, wodurch es breiter wird. Durch die Einführung optischer nichtlinearer Elemente (z. B. Frequenzverdopplungskristalle oder optische Fasern) in den Hohlraumresonator kann das Impulsspektrum weiter moduliert werden, wodurch es schmaler wird und ultrakurze Impulse entstehen.
Darüber hinaus nutzt der UKP-Laser eine ultraschnelle Optik, um eine Pulskomprimierung zu erreichen. Durch den Einsatz von Elementen wie Gittern, optischen Fasern und nichtlinearen Kristallen kann der Puls zeitlich komprimiert werden, wodurch Pulsbreiten im Femtosekunden- und Pikosekundenbereich erreicht werden.
Abbildung 1 zeigt die Temperaturentwicklung bei verschiedenen Laserleistungswerten. Wenn der Leistungswert zu hoch ist (rote Kurve), überschreitet die Temperatur den Schwellenwert für Schmelzen und Ablation; Bei einem zu niedrigen Leistungswert (grüne Kurve) erreicht die Temperatur hingegen nicht die Schmelzschwelle. Beim optimalen Leistungswert (blaue Kurve) reicht die Temperatur aus, um das Material zu schmelzen, ohne dass es zu einer Ablation kommt.
Ceit ist in der Lage, maßgeschneiderte Metallpulver für AM bereitzustellen. Um diesen Vorteil zu nutzen, hat Ceit damit begonnen, selbst hergestellte gaszerstäubte Metallpulverpartikel zu verwenden. Um den Einfluss der Pulverpartikelgröße auf die Ergebnisse zu untersuchen, wurden zwei verschiedene Pulvergrößen ausgewählt und in der Reihenfolge grobes Pulver (20–45 µm Partikelgrößenverteilung) und feines Pulver (<20µm particle size distribution) to distinguish them, as shown in Figure 2.
Um die Herausforderung zu meistern, die gewünschte feine Pulverabscheidung zu erreichen, wurde die Substratoberfläche zunächst mit einem Laser-behandelt, um ihre Rauheit zu erhöhen und die Haftung zwischen dem Substrat und dem Pulver zu verbessern. Nach dem Laserablationsprozess wurde der behandelte Bereich mit einem optischen 3D-Profilometer (Sensofar S Neox) profiliert, was einen Sa-Wert von 3,3 µm und eine Tiefe von 51,499 µm ergab. Anschließend wurde mit einer Rakel ohne Rillen eine erste Schicht auf diesen Bereich aufgetragen, sodass sich das Pulver füllen und am Untergrund haften konnte. Anschließend wurden mit einer Klingenkombination mit zusätzlichen Rillen weitere Schichten aufgetragen, die bis zu 250 µm dicke Strukturen bildeten. Mit dieser Methode wurden gleichmäßige Schichtdicken erreicht: 100 und 200 µm für grobe Pulver und 50 µm für feine Pulver. Der Pulverbeschichtungsprozess wurde mit einer Klinge durchgeführt, wie in Abbildung 3 dargestellt.
Bei der Anwendung von UKP-Lasern in der additiven Fertigung besteht eine große Herausforderung darin, die hohe Energie von Femtosekunden-Laserpulsen auf Metallpulver zu übertragen, um diese zu schmelzen und gleichzeitig eine Ablation zu vermeiden. Eine Ablation erfolgt, wenn die Leistung zu hoch oder die Förderrate falsch ist. Es kann zu einer Ablation der Pulverpartikel oder des Substrats kommen. Letzteres führt dazu, dass Partikel aus dem Bearbeitungsbereich in den umliegenden ablatierten Bereich ausgeschleudert werden, wie in den Abbildungen 4a) bis c) dargestellt.
Durch Reduzieren der Leistung unter den maximal akzeptablen Wert des Ablationsbereichs kann ein relativ schneller Übergang von einem vollständig ablatierten Substrat zu keiner Auswirkung auf das Substrat oder das Pulver beobachtet werden. Dies steht im Einklang mit den Ergebnissen, die Groeningdick und Mayer in ihren Experimenten gefunden haben. Dieser Übergang existiert auch bei Verwendung längerer Pulse, allerdings ist das Prozessfenster bei Femtosekundenpulsen deutlich enger. Bei Versuchen mit feinen Pulvern wurde zudem eine Untergrenze gefunden, unterhalb derer das Pulver unbeeinflusst bleibt. In diesem Fall wurden ähnliche Ergebnisse wie in Abbildung 4-d) beobachtet, wenn die Leistung unter 0,5 W lag. Wenn die Leistung über diesen Wert anstieg, begann das Pulver zu schmelzen und die Partikel aggregierten zu größeren Kugeln.
Zunächst wurde die Laserleistung mit Leistungswerten von 0,68 W und 0,765 W an die untere Grenze des Fensterprozesses angepasst. Anschließend wurde die Scangeschwindigkeit von 5 mm/s auf den niedrigstmöglichen Wert reduziert. Für den ersten Test haben wir 0,68 W verwendet. Mit zunehmender Anzahl der Impulse pro Flächeneinheit nahm die Wärmeakkumulation zu, das Metallpulver begann zu schmelzen, die Partikel hafteten aneinander und es bildeten sich durch Agglomeration größere Partikel.
In Abbildung 6 können wir bei Reduzierung der Scangeschwindigkeit auf die Hälfte ihres ursprünglichen Werts eine Zunahme der Partikelgröße beobachten, was zur Bildung größerer Pulveragglomerate im Prozessbereich führt. Diese Größenzunahme führte dazu, dass Sa von 5,43 µm auf 6,75 µm anstieg. Umgekehrt führte die Reduzierung der Scangeschwindigkeit in dem bei 0,765 W durchgeführten Experiment zu einer leichten Verringerung der Sa von 6,89 µm. Bei beiden Leistungsstufen führte eine Reduzierung der Scangeschwindigkeit zu besseren Ergebnissen und reduzierte den Sa-Wert auf 3,9–4,1 µm. Denn mit abnehmender Geschwindigkeit neigen die Agglomerate dazu, zu einer einzigen Schicht zusammenzuwachsen, was zu einer gleichmäßigeren Struktur führt.
