1. Présentation du document
Dans la fabrication additive (AM), les lasers à impulsions ultracourtes (USP) peuvent être utilisés pour traiter divers matériaux et potentiellement réduire la taille et la forme des pièces fabriquées à l'aide de cette technologie. Ce travail démontre que les lasers USP constituent une alternative viable à la fusion laser sur lit de poudre (LPBF), en particulier lorsqu'une plus grande précision est requise dans la fabrication de certaines pièces critiques. L'étude a obtenu les résultats souhaités en utilisant des particules de poudre d'acier inoxydable-fabriquées sur mesure et-auto-fabriquées, et en fabriquant des couches carrées cohérentes grâce à une série de paramètres de processus optimisés.
Cette étude confirme que les paramètres du processus jouent un rôle crucial lors de l'utilisation de ce type de laser, car même de petits écarts dans l'un des paramètres peuvent conduire à une fusion incomplète. La fusion a été obtenue à de faibles taux de répétition des impulsions (500 kHz) et à de faibles valeurs moyennes de puissance laser (0,5 à 1 W) en réduisant la vitesse de balayage pour générer une accumulation de chaleur. Cela ouvre des possibilités de réduction supplémentaire de la taille minimale des pièces et est important lors de l'utilisation de lasers USP en FA.
2. Aperçu du texte intégral
Avec le développement de la technologie de fabrication additive, les lasers femtoseconde ont de larges perspectives d'application dans le traitement laser de l'acier inoxydable 316L. Cet article résume et présente un document de recherche sur l'étude des paramètres de processus dans le traitement au laser femtoseconde de l'acier inoxydable 316L. L'objectif principal de cette recherche était d'étudier les effets des paramètres de processus tels que la puissance du laser, la taille des particules de poudre, la vitesse de balayage et la distance de la ligne d'ombre sur la qualité et les performances du matériau traité, afin d'optimiser les conditions de traitement.
Dans l'étude, l'équipe de recherche a d'abord présenté les caractéristiques et l'applicabilité de l'acier inoxydable 316L et a développé les principes et les processus de traitement au laser femtoseconde. Par la suite, ils se sont concentrés sur l’influence de paramètres clés du processus, tels que la puissance du laser, la taille des particules de poudre, la vitesse de balayage et la distance de la ligne d’ombre, sur la qualité du traitement.
Grâce à des recherches expérimentales, l’équipe de recherche a déterminé une plage de puissance laser appropriée pour éviter une ablation excessive et des dommages matériels. Ils ont également étudié l'effet de différentes tailles de particules de poudre sur la qualité du traitement, constatant que des tailles de particules de poudre plus fines pourraient permettre un meilleur contrôle du bain fondu et une précision de formage plus élevée. En outre, l’équipe de recherche a exploré les effets de la vitesse de balayage et de la distance des lignes d’ombre sur la qualité de surface et l’efficacité du traitement des composants. En ajustant la vitesse de numérisation et la distance de la ligne d’ombre, ils ont réussi à réduire les défauts de surface et la formation de vides, et à améliorer la qualité et l’efficacité du traitement.
Enfin, l'équipe de recherche a discuté des perspectives d'application des lasers femtoseconde dans le traitement laser de l'acier inoxydable 316L et a souligné les défis de la recherche actuelle et les orientations de développement futures.
3. Analyse graphique Les lasers à impulsions ultra-courtes (USP) peuvent générer des largeurs d'impulsion extrêmement courtes, généralement sur une échelle de temps allant de femtosecondes (10⁻¹⁵ secondes) à picosecondes (10⁻¹² secondes). Le principe des lasers USP repose sur des effets optiques non linéaires et une technologie optique ultrarapide.
Le composant central d'un laser USP est une cavité résonante laser, qui comprend un milieu laser (tel qu'un cristal Nd:YAG ou un cristal Ti:saphir) et un milieu de gain laser (tel qu'une diode laser ou une lampe flash) qui amplifie la lumière.
Le processus d'amplification laser est réalisé par émission stimulée. Sous l'action de la source d'excitation (telle qu'une diode laser ou une lampe flash), les atomes ou les ions présents dans le milieu laser sont excités à un niveau d'énergie élevé. Lorsqu’ils reviennent à l’état fondamental, ils libèrent des photons par émission stimulée. Ces photons sont réfléchis dans la cavité résonante, amplifiés par le milieu de gain, et forment finalement une puissante sortie laser.
Le laser USP est capable de générer des impulsions ultracourtes en utilisant les effets non linéaires de la lumière et de l'optique ultrarapide. Dans le milieu laser, la propagation de la lumière induit des effets non linéaires tels que l'auto-modulation de phase et la réfraction optique non linéaire. Ces effets provoquent des changements dans le spectre des impulsions, le rendant plus large. En introduisant des éléments optiques non linéaires (tels que des cristaux doubleurs de fréquence ou des fibres optiques) dans la cavité résonante, le spectre des impulsions peut être davantage modulé, le rétrécissant et formant des impulsions ultracourtes.
De plus, le laser USP utilise une optique ultrarapide pour réaliser une compression d’impulsion. En utilisant des éléments tels que des réseaux, des fibres optiques et des cristaux non linéaires, l'impulsion peut être compressée dans le temps, atteignant des largeurs d'impulsion de l'ordre de la femtoseconde et de la picoseconde.
La figure 1 montre l'évolution de la température sous différentes valeurs de puissance laser. Lorsque la valeur de puissance est trop élevée (courbe rouge), la température dépasse le seuil de fusion et d'ablation ; tandis que lorsque la valeur de puissance est trop faible (courbe verte), la température n'atteint pas le seuil de fusion. A la valeur de puissance optimale (courbe bleue), la température est suffisante pour faire fondre le matériau sans provoquer d'ablation.
Ceit est en mesure de fournir des poudres métalliques personnalisées pour la FA. Tirant parti de cet avantage, Ceit a commencé à utiliser ses propres particules de poudre métallique atomisées au gaz -. Pour étudier l'effet de la taille des particules de poudre sur les résultats, deux tailles de poudre différentes ont été sélectionnées et nommées, dans l'ordre, poudre grossière (distribution granulométrique de 20 à 45 µm) et poudre fine (<20µm particle size distribution) to distinguish them, as shown in Figure 2.
Pour relever le défi consistant à obtenir le dépôt de poudre fine souhaité, la surface du substrat a d'abord été traitée au laser-pour augmenter sa rugosité et améliorer l'adhérence entre le substrat et la poudre. Après le processus d'ablation au laser, la zone traitée a été profilée à l'aide d'un profilomètre optique 3D (Sensofar S Neox), donnant une valeur Sa de 3,3 µm et une profondeur de 51,499 µm. Une première couche a ensuite été appliquée sur cette zone à l'aide d'une lame sans rainures, permettant à la poudre de se remplir et d'adhérer au support. Par la suite, les couches suivantes ont été appliquées à l’aide d’une combinaison de lames avec des rainures supplémentaires, formant des structures jusqu’à 250 µm d’épaisseur. Cette méthode permet d'obtenir des épaisseurs de couche uniformes : 100 et 200 µm pour les poudres grossières et 50 µm pour les poudres fines. Le processus de revêtement en poudre a été réalisé à l’aide d’une lame, comme le montre la figure 3.
Lors de l’application des lasers USP à la fabrication additive, un défi majeur consiste à fournir la haute énergie des impulsions laser femtoseconde aux poudres métalliques pour les faire fondre tout en évitant l’ablation. L'ablation se produit si la puissance est trop élevée ou si le débit d'administration est incorrect. L'ablation peut se produire dans les particules de poudre ou dans le substrat. Cette dernière provoque l'éjection des particules de la zone de traitement vers la zone ablatée environnante, comme le montrent les figures 4a) à c).
En réduisant la puissance en dessous de la valeur maximale acceptable de la plage d'ablation, une transition relativement rapide d'un substrat complètement ablaté à un effet nul sur le substrat ou sur la poudre peut être observée. Ceci est tout à fait cohérent avec les résultats trouvés par Groeningdick et Mayer dans leurs expériences. Cette transition existe également lors de l'utilisation d'impulsions plus longues, mais la fenêtre de processus est nettement plus étroite dans le cas d'impulsions femtosecondes. Dans des expériences utilisant des poudres fines, une limite inférieure a également été trouvée en dessous de laquelle la poudre n'est pas affectée. Dans ce cas, des résultats similaires à ceux observés sur la figure 4-d) ont été observés lorsque la puissance était inférieure à 0,5 W. Lorsque la puissance augmentait au-dessus de cette valeur, la poudre commençait à fondre et les particules s'agrégeaient pour former des sphères plus grandes.
Tout d’abord, la puissance du laser a été ajustée à la limite inférieure du processus de fenêtre, en utilisant des valeurs de puissance de 0,68 W et 0,765 W. Ensuite, la vitesse de numérisation a été réduite de 5 mm/s à la valeur la plus basse possible. Pour le premier test, nous avons utilisé 0,68W. À mesure que le nombre d'impulsions par unité de surface augmentait, l'accumulation de chaleur augmentait, la poudre métallique commençait à fondre, les particules adhèrent les unes aux autres et forment des particules plus grosses par agglomération.
Sur la figure 6, lorsque la vitesse de balayage a été réduite de moitié par rapport à sa valeur initiale, nous pouvons observer une augmentation de la taille des particules, entraînant la formation d'agglomérats de poudre plus gros dans la zone de traitement. Cette augmentation de taille a fait passer Sa de 5,43 µm à 6,75 µm. À l’inverse, dans l’expérience menée à 0,765 W, la réduction de la vitesse de balayage a entraîné une légère diminution de Sa par rapport à 6,89 µm. Aux deux niveaux de puissance, la réduction de la vitesse de balayage a donné de meilleurs résultats, réduisant la valeur Sa entre 3,9 et 4,1 µm. En effet, à mesure que la vitesse diminue, les agglomérats ont tendance à fusionner en une seule couche, ce qui donne une structure plus uniforme.
