1. 論文紹介
積層造形 (AM) では、超短パルス (USP) レーザーを使用してさまざまな材料を加工し、この技術を使用して製造される部品のサイズや形状を縮小できる可能性があります。この研究は、特に特定の重要な部品の製造においてより高い精度が必要な場合に、USP レーザーがレーザー粉末床融合 (LPBF) の実行可能な代替手段であることを示しています。この研究では、カスタム-および自作-のステンレス鋼粉末粒子を使用し、一連の最適化されたプロセス パラメータを通じて一貫した正方形の層を製造し、望ましい結果を達成しました。
この研究では、このタイプのレーザーを使用する場合、プロセスパラメータが重要な役割を果たすことが確認されました。パラメータのわずかな偏差でも不完全な溶融につながる可能性があるためです。スキャン速度を低下させて熱の蓄積を発生させることで、低いパルス繰り返し率 (500 kHz) と低い平均レーザー出力値 (0.5 ～ 1 W) で溶融が達成されました。これにより、部品の最小サイズをさらに縮小できる可能性が広がり、AM で USP レーザーを使用する場合に重要になります。
2. 全文概要
積層造形技術の発展により、フェムト秒レーザーは 316L ステンレス鋼のレーザー加工に幅広い応用の可能性を秘めています。この論文は、316L ステンレス鋼のフェムト秒レーザー加工におけるプロセス パラメーターの研究に関する研究論文を要約して紹介します。この研究の主な目的は、加工条件を最適化するために、レーザー出力、粉末粒子サイズ、走査速度、影線距離などの加工パラメータが加工材料の品質と性能に及ぼす影響を調査することでした。
この研究において、研究チームはまず316Lステンレス鋼の特性と適用性を紹介し、フェムト秒レーザー加工の原理とプロセスについて詳しく説明した。その後、レーザー出力、粉末粒子サイズ、スキャン速度、影線距離などの主要なプロセスパラメータが加工品質に与える影響に焦点を当てました。
研究チームは実験研究を通じて、過度のアブレーションや材料の損傷を避けるために適切なレーザー出力範囲を決定しました。彼らはまた、さまざまな粉末粒子サイズが加工品質に及ぼす影響を研究し、粉末粒子サイズがより細かいほど、より優れた溶融池制御とより高い成形精度を実現できることを発見しました。さらに研究チームは、スキャン速度と影の線の距離が部品の表面品質と処理効率に及ぼす影響を調査しました。走査速度と影線の距離を調整することで、表面欠陥やボイドの形成を軽減し、加工品質と効率を向上させることに成功しました。
最後に、研究チームは、316Lステンレス鋼のレーザー加工におけるフェムト秒レーザーの応用見通しについて議論し、現在の研究と将来の開発方向における課題を指摘しました。
3. グラフ分析 超短パルス (USP) レーザーは、通常フェムト秒 (10-¹5 秒) からピコ秒 (10-¹² 秒) のタイムスケール内で非常に短いパルス幅を生成できます。 USP レーザーの原理は、光学非線形効果と超高速光学技術に基づいています。
USP レーザーのコアコンポーネントはレーザー共振空洞であり、これにはレーザー媒体 (Nd:YAG 結晶や Ti:サファイア結晶など) と、光を増幅するレーザー利得媒体 (レーザー ダイオードやフラッシュ ランプなど) が含まれます。
レーザー増幅プロセスは誘導放出によって実現されます。励起源 (レーザー ダイオードやフラッシュ ランプなど) の作用により、レーザー媒体内の原子またはイオンが高エネルギー レベルまで励起されます。それらが基底状態に戻ると、誘導放出によって光子が放出されます。これらの光子は共振空洞内で前後に反射され、利得媒体によって増幅され、最終的に強力なレーザー出力を形成します。
USP レーザーは、光と超高速光学の非線形効果を利用して超短パルスを生成できます。レーザー媒質内では、光の伝播により自己-位相変調や光学的非線形屈折などの非線形効果が引き起こされます。これらの影響によりパルススペクトルに変化が生じ、パルススペクトルがより広くなります。光非線形要素 (周波数 2 倍化結晶や光ファイバーなど) を共振空洞に導入することにより、パルス スペクトルをさらに変調し、スペクトルを狭めて超短パルスを形成できます。
さらに、USP レーザーは超高速光学系を利用してパルス圧縮を実現します。回折格子、光ファイバー、非線形結晶などの要素を使用することにより、パルスを時間的に圧縮し、フェムト秒からピコ秒の範囲のパルス幅を実現できます。
図 1 は、さまざまなレーザー出力値における温度の変化を示しています。電力値が高すぎる場合 (赤い曲線)、温度は融解とアブレーションのしきい値を超えます。一方、電力値が低すぎる場合 (緑色の曲線)、温度は融解閾値に達しません。最適な電力値 (青い曲線) では、アブレーションを引き起こすことなく材料を溶解するのに十分な温度です。
Ceit は AM 用のカスタム金属粉末を提供できます。この利点を活用して、Ceit は独自に製造したガスアトマイズ金属粉末粒子の使用を開始しました。-結果に対する粉末粒子サイズの影響を調査するために、2 つの異なる粉末サイズが選択され、順番に粗粉末 (粒径分布 20 ～ 45 μm) と微粉末 (<20µm particle size distribution) to distinguish them, as shown in Figure 2.
望ましい微粉末の堆積を達成するという課題に対処するために、まず基板表面をレーザー処理して、粗さを増やし、基板と粉末間の接着を強化しました。{0}レーザーアブレーションプロセス後、3D 光学式表面形状計 (Sensofar S Neox) を使用して治療領域のプロファイリングを行い、Sa 値 3.3 μm、深さ 51.499 μm が得られました。次に、溝のないブレードを使用してこの領域に最初の層を塗布し、粉末を充填して基材に付着させました。続いて、溝を追加したブレードを組み合わせて次の層を塗布し、最大 250 μm の厚さの構造を形成しました。この方法により、均一な層の厚さが達成されました。粗い粉末の場合は 100 μm と 200 μm、細かい粉末の場合は 50 μm でした。粉体塗装プロセスは、図 3 に示すようにブレードを使用して実行されました。
USP レーザーを AM に適用する場合、大きな課題は、フェムト秒レーザー パルスの高エネルギーを金属粉末に供給して、アブレーションを回避しながら金属粉末を溶解することです。アブレーションは、出力が高すぎるか、供給速度が正しくない場合に発生します。アブレーションは粉末粒子または基材で発生する可能性があります。後者は、図 4a) から図 4c) に示すように、粒子が処理領域から周囲のアブレーション領域に放出されます。
アブレーション範囲の最大許容値未満にパワーを下げることにより、完全にアブレーションされた基材から基材にも粉末にも影響がない状態への比較的急速な移行が観察されます。これは、Groeningdick と Mayer が実験で発見した結果と非常に一致しています。この遷移は、より長いパルスを使用する場合にも発生しますが、フェムト秒パルスの場合、プロセス ウィンドウは大幅に狭くなります。微粉末を使用した実験では、それ以下であれば粉末が影響を受けない下限も判明しました。この場合、電力が 0.5 W 未満の場合、図 4-d) で観察された結果と同様の結果が観察されました。電力がこの値を超えて増加すると、粉末が溶け始め、粒子が凝集してより大きな球を形成しました。
まず、レーザー出力をウィンドウプロセスの下限に調整し、出力値 0.68W と 0.765W を使用しました。次に、スキャン速度を 5mm/s から可能な最低値まで下げました。最初のテストでは、0.68W を使用しました。単位面積あたりのパルス数が増加すると、蓄熱が増加し、金属粉末が溶け始め、粒子が互いに付着し、凝集して大きな粒子が形成されます。
図 6 では、スキャン速度が元の値の半分に低下すると、粒子サイズが増加し、プロセス領域でより大きな粉末凝集体が形成されることが観察できます。このサイズの増加により、Sa が 5.43μm から 6.75μm に増加しました。逆に、0.765Wで実施した実験では、スキャン速度を下げるとSaが6.89μmからわずかに減少しました。どちらの出力レベルでも、スキャン速度を下げるとより良い結果が得られ、Sa 値が 3.9 ～ 4.1µm に減少しました。これは、速度が低下すると、凝集体が単一の層に合体する傾向があり、その結果、より均一な構造が得られるためです。
