Papierübersicht
1. Einführung
In der additiven Fertigung (AM) ermöglichen Ultrakurzpulslaser (UKP) die Bearbeitung verschiedenster Materialien und bieten Potenzial zur Reduzierung der Abmessungen und Komplexität gefertigter Bauteile. Diese Studie zeigt die Machbarkeit des Einsatzes von UKP-Lasern als Alternative zu Laser Powder Bed Fusion (LPBF)-Systemen, insbesondere für die Herstellung kritischer Teile, die eine höhere Präzision erfordern. Mit maßgeschneiderten und selbst hergestellten -Edelstahlpulverpartikeln erzielten die Forscher die gewünschten Ergebnisse und stellten erfolgreich konsistente quadratische Schichten her, indem sie eine Reihe von Verarbeitungsparametern optimierten.
Die Studie bestätigt, dass Prozessparameter beim Einsatz von UKP-Lasern eine entscheidende Rolle spielen - selbst geringfügige Abweichungen dieser Parameter können zu einem unvollständigen Schmelzen führen. Durch Reduzierung der Scangeschwindigkeit zur Förderung der Wärmeakkumulation wurde das Schmelzen bei niedrigen Pulswiederholungsfrequenzen (500 kHz) und niedrigen durchschnittlichen Laserleistungen (0,5–1 W) erreicht. Dieser Ansatz bietet das Potenzial, die Teilegröße weiter zu minimieren, was für die Weiterentwicklung der AM mit UKP-Laserquellen von Bedeutung ist.
2. Zusammenfassung der Studie
Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der additiven Fertigung zeigen Femtosekundenlaser vielversprechendes Potenzial für die Bearbeitung von Edelstahl 316L. In diesem Artikel wird eine Studie zum Einfluss von Prozessparametern bei der Femtosekundenlaserbearbeitung von 316L-Edelstahl zusammengefasst und besprochen. Das Hauptziel der Forschung besteht darin, zu untersuchen, wie sich Laserleistung, Pulverpartikelgröße, Scangeschwindigkeit und Schraffurabstand auf die Verarbeitungsqualität und Materialleistung auswirken, um die Herstellungsbedingungen zu optimieren.
Die Forscher stellten zunächst die Eigenschaften und Eignung von Edelstahl 316L vor und erläuterten anschließend das Funktionsprinzip und die Mechanismen der Femtosekunden-Laserbearbeitung. Anschließend konzentrierten sie sich darauf, wie Schlüsselparameter - einschließlich Laserleistung, Partikelgröße, Scangeschwindigkeit und Schraffurabstand - die Materialqualität beeinflussen.
Durch experimentelle Studien identifizierte das Team einen optimalen Laserleistungsbereich, um übermäßigen Abtrag und Materialschäden zu verhindern. Sie fanden außerdem heraus, dass feinere Pulverpartikel zu einer besseren Kontrolle des Schmelzbads und einer höheren Formgenauigkeit führen. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass Anpassungen der Scangeschwindigkeit und des Schraffurabstands Oberflächendefekte und Porosität reduzieren und so sowohl die Qualität als auch die Effizienz verbessern.
Abschließend wurden in der Studie die Anwendungsaussichten von Femtosekundenlasern bei der Herstellung von 316L-Edelstahl erörtert und aktuelle Herausforderungen sowie zukünftige Forschungsrichtungen hervorgehoben.
3. Experimentelle Analyse und Zahlen
3.1 UKP-Laserprinzip
Ultrakurzpulslaser (UKP) erzeugen extrem kurze Pulsdauern, typischerweise im Bereich von Femtosekunden (10⁻¹⁵ s) bis Pikosekunden (10⁻¹² s). Diese Laser basieren auf nichtlinearen optischen Effekten und ultraschneller Optik.
Die Kernkomponente eines UKP-Lasers ist der Resonanzhohlraum, der ein Lasermedium (z. B. Nd:YAG- oder Ti:Saphir-Kristall) und eine Verstärkungsquelle (z. B. Laserdioden oder Blitzlampen) enthält. Der Verstärkungsprozess erfolgt durch stimulierte Emission, bei der Photonen wiederholt zwischen Spiegeln im Hohlraum reflektiert und verstärkt werden, wodurch letztendlich ein leistungsstarker Ausgangsstrahl entsteht.
UKP-Laser erreichen ultrakurze Pulsdauern, indem sie nichtlineare optische Effekte wie Selbst-Phasenmodulation und nichtlineare Brechung nutzen. Optische Elemente wie frequenzverdoppelnde Kristalle oder Fasern tragen dazu bei, das Pulsspektrum zu verbreitern und zu komprimieren und Pulsdauern im Femtosekundenbereich zu erreichen.
Abbildung 1 – Temperaturentwicklung bei verschiedenen Laserleistungen
Abbildung 1 zeigt, wie sich die Temperatur bei variierender Laserleistung ändert.
Hohe Leistung (rote Kurve):Die Temperatur überschreitet die Schmelz- und Ablationsschwellen.
Geringe Leistung (grüne Kurve):unzureichende Temperatur zum Schmelzen.
Optimale Leistung (blaue Kurve):ermöglicht ein Schmelzen ohne Ablation.
Abbildung 2 – REM-Bilder von groben und feinen Pulvern
Ceit entwickelte maßgeschneiderte gaszerstäubte Metallpulver für AM. Es wurden zwei Arten von Pulver verwendet:
Grobes Pulver (20–45 µm)
Feines Pulver (<20 µm)
Feine Pulver erzielten eine verbesserte Schmelzkontrolle und Schichtgleichmäßigkeit.
Abbildung 3 – Abscheidungsprozess der ersten Schicht
Um die Pulverhaftung zu verbessern, wurde das Substrat zunächst mit einem Laser-behandelt, um die Oberflächenrauheit zu erhöhen. Die profilometrische Analyse ergab eine Oberflächenrauheit (Sa) von 3,3 µm und eine Tiefe von 51,499 µm. Anschließend wurden Schichten mit einem Rakelverfahren aufgetragen, um eine gleichmäßige Dicke zu erreichen:
Grobes Pulver: 100–200 µm Schichten
Feines Pulver: 50 µm Schichten
Abbildung 4 – Leistungseffekt bei der Grobpulververarbeitung
Der Einsatz von UKP-Lasern in der additiven Fertigung stellt eine Herausforderung dar: das Schmelzen des Pulvers ohne Ablation. Übermäßige Leistung führt zum Auswurf von Partikeln oder zur Beschädigung des Substrats. Eine Reduzierung der Laserleistung unter die Ablationsschwelle führt zu einem erfolgreichen Schmelzen.
Bei Leistungen unter 0,5 W bleibt das feine Pulver unbeeinflusst, oberhalb dieser Schwelle schmelzen die Partikel und verschmelzen zu größeren Kugeln.
Abbildung 5 – Leistungsvariation bei feinen Pulvern
Die Erhöhung der Leistung von 0,59 W auf 0,765 W verbesserte das Schmelzen und erzeugte glattere und gleichmäßigere Oberflächen. Die Oberflächenrauheit (Sa) verringerte sich von 3,45 µm auf 2,58 µm.
Abbildung 6 – Auswirkung der Scangeschwindigkeit
Bei 0,674 W und 10 µm Schraffurabstand:
Die Reduzierung der Scangeschwindigkeit von 5 mm/s auf 2,5 mm/s erhöhte die Wärmeansammlung und Partikelkoaleszenz, wodurch die Cluster vergrößert und Sa von 5,43 µm auf 6,75 µm erhöht wurden.
Bei 0,765 W führte ein langsameres Scannen zu gleichmäßigeren Ergebnissen (Sa ≈ 3,9–4,1 µm).
Abbildung 7 – Kombinierter Effekt von Kraft und Geschwindigkeit
Bei höheren Leistungsstufen (0,85–0,935 W) und Scangeschwindigkeiten bis hinunter zu 2,5 mm/s verringerte sich Sa weiter auf 3,5–3,8 µm. Unter 1,5 mm/s führte Überhitzung zum Platzen und Verbrennen des Pulvers.
Abbildung 8 – Verringerung des Schraffurabstands
Durch die Reduzierung des Schraffurabstands von 7 µm auf 5 µm wurde die Oberflächenqualität erheblich verbessert - Sa sank von 6,75 µm auf 4,1 µm. Zu große Abstände führten zu ungleichmäßigem Aufschmelzen und Defektbildung.
Abbildung 9 – Einfluss des Schraffurabstands
Innerhalb optimaler Leistungs- und Geschwindigkeitsfenster verbesserte die Verringerung des Lukenabstands die Oberflächengleichmäßigkeit kontinuierlich und erreichte einen Sa von nur 2–3 µm. Um den Wärmestau auszugleichen, waren Geschwindigkeitsanpassungen erforderlich.
Abbildung 10 – Optimale Prozessparameter
Die besten Verarbeitungsbedingungen erzielten eine äußerst gleichmäßige geschmolzene Oberfläche mit einem Sa von 2,37 µm unter Verwendung von:
Laserleistung:0.775 W
Scangeschwindigkeit:2,5 mm/s
Schraffurabstand:7.5 µm
4. Fazit
Um das Potenzial von UKP-Lasern in der additiven Fertigung zu bewerten, wurden Femtosekundenlaser unter Verwendung von zwei Arten von Edelstahlpulvern in den LPBF-Prozess integriert. Die Studie kommt zu dem SchlussLaserleistungist der kritischste Faktor - Eine zu hohe Leistung verursacht eine Ablation, während eine zu geringe Leistung ein Schmelzen verhindert.
Sobald ein optimales Leistungsfenster festgelegt war (0,775–0,935 W), wurde die Oberflächenglätte durch Feinabstimmung der Scangeschwindigkeit und des Schraffurabstands weiter verbessert. Die besten Ergebnisse wurden erzielt bei:
Leistung: 0.775–0.935 W
Scangeschwindigkeit:2,5 mm/s
Schraffurabstand: 5–7.5 µm
Unter diesen optimierten Parametern wurden ein gleichmäßiges Schmelzen und eine minimale Oberflächenrauheit erreicht, was die Machbarkeit von UKP-Lasern für die hochpräzise additive Fertigung von Bauteilen im Mikromaßstab bestätigt.
