Tổng quan về bài viết
1. Giới thiệu
Trong sản xuất bồi đắp (AM), laser xung siêu ngắn (USP) cho phép xử lý nhiều loại vật liệu và mang lại tiềm năng giảm kích thước cũng như độ phức tạp của các bộ phận được chế tạo. Nghiên cứu này chứng minh tính khả thi của việc sử dụng laser USP thay thế cho hệ thống Laser Powder Bed Fusion (LPBF), đặc biệt để sản xuất các bộ phận quan trọng đòi hỏi độ chính xác cao hơn. Bằng cách sử dụng các hạt bột thép không gỉ-được tùy chỉnh và tự sản xuất, các nhà nghiên cứu đã đạt được kết quả mong muốn và chế tạo thành công các lớp vuông nhất quán bằng cách tối ưu hóa một loạt thông số xử lý.
Nghiên cứu xác nhận rằng các tham số quy trình đóng vai trò quan trọng khi sử dụng tia laser USP - ngay cả những sai lệch nhỏ trong các tham số này cũng có thể dẫn đến sự nóng chảy không hoàn toàn. Bằng cách giảm tốc độ quét để thúc đẩy sự tích tụ nhiệt, sự nóng chảy đã đạt được ở tần số lặp lại xung thấp (500 kHz) và công suất laser trung bình thấp (0,5–1 W). Cách tiếp cận này mang lại khả năng giảm thiểu hơn nữa kích thước bộ phận, điều này rất có ý nghĩa trong việc thúc đẩy AM sử dụng nguồn laser USP.
2. Tóm tắt nghiên cứu
Với sự phát triển không ngừng của sản xuất bồi đắp, laser femto giây cho thấy tiềm năng đầy hứa hẹn để xử lý thép không gỉ 316L. Bài báo này tổng hợp và đánh giá một nghiên cứu về ảnh hưởng của các thông số quá trình trong quá trình gia công thép không gỉ 316L bằng laser femto giây. Mục tiêu chính của nghiên cứu là điều tra xem công suất laser, kích thước hạt bột, tốc độ quét và khoảng cách nở ảnh hưởng như thế nào đến chất lượng xử lý và hiệu suất vật liệu, nhằm tối ưu hóa các điều kiện sản xuất.
Các nhà nghiên cứu lần đầu tiên giới thiệu các đặc tính và sự phù hợp của thép không gỉ 316L, sau đó trình bày chi tiết về nguyên lý làm việc và cơ chế xử lý laser femto giây. Sau đó, họ tập trung vào cách các thông số chính - bao gồm công suất laser, kích thước hạt, tốc độ quét và khoảng cách nở - ảnh hưởng đến chất lượng vật liệu.
Thông qua các nghiên cứu thực nghiệm, nhóm nghiên cứu đã xác định được phạm vi công suất laser tối ưu để ngăn ngừa sự mài mòn quá mức và hư hỏng vật liệu. Họ cũng phát hiện ra rằng các hạt bột mịn hơn giúp kiểm soát bể tan chảy tốt hơn và độ chính xác tạo hình cao hơn. Hơn nữa, việc điều chỉnh tốc độ quét và khoảng cách nở đã được chứng minh là làm giảm các khuyết tật bề mặt và độ xốp, cải thiện cả chất lượng và hiệu quả.
Cuối cùng, nghiên cứu thảo luận về triển vọng ứng dụng của laser femto giây trong sản xuất thép không gỉ 316L, nêu bật những thách thức hiện tại và hướng nghiên cứu trong tương lai.
3. Phân tích và số liệu thực nghiệm
3.1 Nguyên lý Laser USP
Laser xung siêu ngắn (USP) tạo ra thời lượng xung cực ngắn, thường ở phạm vi femto giây (10⁻¹⁵ s) đến picosecond (10⁻¹² s). Những tia laser này dựa vào hiệu ứng quang học phi tuyến và quang học cực nhanh.
Thành phần cốt lõi của laser USP là khoang cộng hưởng, chứa môi trường laser (ví dụ: tinh thể Nd: YAG hoặc Ti: sapphire) và nguồn khuếch đại (chẳng hạn như điốt laser hoặc đèn flash). Quá trình khuếch đại xảy ra thông qua sự phát xạ kích thích, trong đó các photon liên tục phản xạ giữa các gương trong hộp và được khuếch đại, cuối cùng tạo thành chùm tia đầu ra mạnh mẽ.
Laser USP đạt được thời lượng xung cực ngắn bằng cách tận dụng các hiệu ứng quang học phi tuyến chẳng hạn như tự điều biến pha và khúc xạ phi tuyến. Các phần tử quang học như tinh thể hoặc sợi tăng gấp đôi tần số- giúp mở rộng và nén phổ xung, đạt đến thời lượng xung trong phạm vi femto giây.
Hình 1 - Sự tiến triển nhiệt độ ở các công suất laser khác nhau
Hình 1 minh họa nhiệt độ thay đổi như thế nào với công suất laser khác nhau.
Công suất cao (đường cong màu đỏ):nhiệt độ vượt quá ngưỡng nóng chảy và cắt bỏ.
Công suất thấp (đường cong màu xanh lá cây):không đủ nhiệt độ để nóng chảy.
Công suất tối ưu (đường cong màu xanh):cho phép tan chảy mà không bị cắt bỏ.
Hình 2 – Ảnh SEM của bột thô và bột mịn
Ceit đã phát triển bột kim loại nguyên tử-khí tùy chỉnh cho AM. Hai loại bột đã được sử dụng:
Bột thô (20–45 µm)
Bột mịn (<20 µm)
Bột mịn đạt được sự kiểm soát tan chảy được cải thiện và tính đồng nhất của lớp.
Hình 3 - Quá trình lắng đọng lớp đầu tiên
Để tăng cường độ bám dính của bột, trước tiên, chất nền được-xử lý bằng laser để tăng độ nhám bề mặt. Phân tích định hình cho thấy độ nhám bề mặt (Sa) là 3,3 µm và độ sâu 51,499 µm. Sau đó, các lớp được áp dụng bằng phương pháp lưỡi dao, đạt được độ dày đồng đều:
Bột thô: 100–200 µm lớp
Bột mịn: lớp 50 µm
Hình 4 - Hiệu ứng công suất khi xử lý bột thô
Sử dụng tia laser USP vào buổi sáng có một thách thức: làm tan chảy bột mà không gây ra hiện tượng cắt bỏ. Công suất dư thừa dẫn đến phóng hạt hoặc làm hỏng chất nền. Giảm công suất laser xuống dưới ngưỡng cắt bỏ sẽ dẫn đến tan chảy thành công.
Ở công suất dưới 0,5 W, bột mịn vẫn không bị ảnh hưởng, trong khi trên ngưỡng này, các hạt tan chảy và kết lại thành những quả cầu lớn hơn.
Hình 5 - Sự thay đổi công suất trên bột mịn
Việc tăng công suất từ 0,59 W lên 0,765 W giúp tăng cường độ nóng chảy, tạo ra các bề mặt mịn hơn và đồng đều hơn. Độ nhám bề mặt (Sa) giảm từ 3,45 µm xuống còn 2,58 µm.
Hình 6 - Ảnh hưởng của tốc độ quét
Ở mức 0,674 W và khoảng cách cửa sập 10 µm:
Giảm tốc độ quét từ 5 mm/s xuống 2,5 mm/s làm tăng sự tích tụ nhiệt và sự kết tụ của các hạt, mở rộng các cụm và nâng Sa từ 5,43 µm lên 6,75 µm.
Ở mức 0,765 W, quá trình quét chậm hơn mang lại kết quả mượt mà hơn (Sa ≈ 3,9–4,1 µm).
Hình 7 – Hiệu ứng kết hợp giữa sức mạnh và tốc độ
Ở mức công suất cao hơn (0,85–0,935 W) và tốc độ quét xuống 2,5 mm/s, Sa tiếp tục giảm xuống còn 3,5–3,8 µm. Dưới 1,5 mm/s, quá nhiệt khiến bột bị vỡ và cháy.
Hình 8 – Giảm khoảng cách nở
Việc giảm khoảng cách nở từ 7 µm xuống 5 µm đã cải thiện đáng kể chất lượng bề mặt - Sa giảm từ 6,75 µm xuống 4,1 µm. Khoảng cách quá lớn dẫn đến sự nóng chảy không đồng đều và hình thành khuyết tật.
Hình 9 – Ảnh hưởng khoảng cách nở
Trong các cửa sổ công suất và tốc độ tối ưu, việc giảm khoảng cách cửa sập giúp cải thiện đồng đều bề mặt một cách nhất quán, đạt được Sa thấp tới 2–3 µm. Việc điều chỉnh tốc độ là cần thiết để cân bằng sự tích tụ nhiệt.
Hình 10 – Các thông số quy trình tối ưu
Điều kiện xử lý tốt nhất đạt được bề mặt nóng chảy có độ đồng đều cao với Sa là 2,37 µm khi sử dụng:
Công suất laze:0.775 W
Tốc độ quét:2,5 mm/s
Khoảng cách nở:7.5 µm
4. Kết luận
Để đánh giá tiềm năng của laser USP trong sản xuất bồi đắp, laser femto giây đã được tích hợp vào quy trình LPBF bằng cách sử dụng hai loại bột thép không gỉ-. Nghiên cứu kết luận rằngnăng lượng laserlà yếu tố quan trọng nhất - công suất quá mức sẽ gây ra sự mài mòn, trong khi quá ít sẽ ngăn cản sự tan chảy.
Sau khi thiết lập cửa sổ nguồn tối ưu (0,775–0,935 W), việc tinh chỉnh-tốc độ quét và khoảng cách cửa sập sẽ cải thiện hơn nữa độ mịn bề mặt. Kết quả tốt nhất đạt được ở:
Quyền lực: 0.775–0.935 W
Tốc độ quét:2,5 mm/s
Khoảng cách nở: 5–7.5 µm
Theo các thông số được tối ưu hóa này, người ta đã đạt được độ nóng chảy đồng đều và độ nhám bề mặt ở mức tối thiểu, xác nhận tính khả thi của tia laser USP trong quá trình sản xuất bồi đắp-có độ chính xác cao cho các bộ phận ở quy mô{1}}vi mô.
