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1. Introduction
Dans la fabrication additive (AM), les lasers à impulsions ultracourtes (USP) permettent le traitement d'une large gamme de matériaux et offrent la possibilité de réduire les dimensions et la complexité des composants fabriqués. Cette étude démontre la faisabilité de l'utilisation des lasers USP comme alternative aux systèmes de fusion laser sur lit de poudre (LPBF), en particulier pour la fabrication de pièces critiques nécessitant une plus grande précision. À l'aide de particules de poudre d'acier inoxydable-autoproduites-sur mesure, les chercheurs ont obtenu les résultats souhaités et ont réussi à fabriquer des couches carrées cohérentes en optimisant une série de paramètres de traitement.
L'étude confirme que les paramètres de processus jouent un rôle essentiel lors de l'utilisation de lasers USP - même des écarts mineurs de ces paramètres peuvent entraîner une fusion incomplète. En réduisant la vitesse de balayage pour favoriser l'accumulation de chaleur, la fusion a été obtenue à de faibles fréquences de répétition d'impulsions (500 kHz) et à de faibles puissances laser moyennes (0,5 à 1 W). Cette approche offre la possibilité de minimiser davantage la taille des pièces, ce qui est important pour faire progresser la fabrication additive à l’aide de sources laser USP.
2. Résumé de l'étude
Avec le développement continu de la fabrication additive, les lasers femtoseconde présentent un potentiel prometteur pour le traitement de l'acier inoxydable 316L. Cet article résume et passe en revue une étude sur l'influence des paramètres de processus dans le traitement au laser femtoseconde de l'acier inoxydable 316L. L'objectif principal de la recherche est d'étudier comment la puissance laser, la taille des particules de poudre, la vitesse de balayage et la distance des éclosions affectent la qualité du traitement et les performances des matériaux, afin d'optimiser les conditions de fabrication.
Les chercheurs ont d’abord présenté les caractéristiques et l’adéquation de l’acier inoxydable 316L, puis ont détaillé le principe de fonctionnement et les mécanismes du traitement au laser femtoseconde. Par la suite, ils se sont concentrés sur la façon dont les paramètres clés -, notamment la puissance du laser, la taille des particules, la vitesse de balayage et la distance des hachures -, influencent la qualité du matériau.
Grâce à des études expérimentales, l’équipe a identifié une plage de puissance laser optimale pour éviter une ablation excessive et des dommages matériels. Ils ont également constaté que des particules de poudre plus fines conduisaient à un meilleur contrôle du bain de fusion et à une plus grande précision de formage. De plus, il a été démontré que les ajustements de la vitesse de numérisation et de la distance des hachures réduisent les défauts de surface et la porosité, améliorant ainsi la qualité et l’efficacité.
Enfin, l'étude a discuté des perspectives d'application des lasers femtoseconde dans la fabrication de l'acier inoxydable 316L, mettant en évidence les défis actuels et les orientations de recherche futures.
3. Analyse expérimentale et chiffres
3.1 Principe du laser USP
Les lasers à impulsions ultracourtes (USP) génèrent des durées d'impulsion extrêmement courtes, généralement de l'ordre de la femtoseconde (10⁻¹⁵ s) à la picoseconde (10⁻¹² s). Ces lasers reposent sur des effets optiques non linéaires et une optique ultrarapide.
Le composant central d'un laser USP est la cavité résonante, qui contient un milieu laser (par exemple, Nd:YAG ou Ti:cristal saphir) et une source de gain (telle que des diodes laser ou des lampes flash). Le processus d'amplification se produit par émission stimulée, où les photons se réfléchissent de manière répétée entre les miroirs de la cavité et sont amplifiés, formant finalement un puissant faisceau de sortie.
Les lasers USP atteignent des durées d'impulsion ultracourtes en exploitant des effets optiques non linéaires tels que l'auto-modulation de phase et la réfraction non linéaire. Les éléments optiques tels que les cristaux ou les fibres doublant la fréquence aident à élargir et à comprimer le spectre des impulsions, atteignant des durées d'impulsion de l'ordre de la femtoseconde.
Figure 1 – Evolution de la température à différentes puissances laser
La figure 1 illustre l'évolution de la température en fonction de la puissance laser.
Haute puissance (courbe rouge) :la température dépasse les seuils de fusion et d’ablation.
Faible consommation (courbe verte) :température insuffisante pour fondre.
Puissance optimale (courbe bleue) :permet de fondre sans ablation.
Figure 2 – Images MEB de poudres grossières et fines
Le Ceit a développé des poudres métalliques personnalisées-atomisées au gaz pour la fabrication additive. Deux types de poudre ont été utilisés :
Poudre grossière (20–45 µm)
Poudre fine (<20 µm)
Les poudres fines ont permis d'améliorer le contrôle de la fusion et l'uniformité des couches.
Figure 3 – Processus de dépôt de la première couche
Pour améliorer l'adhérence de la poudre, le substrat a d'abord été traité au laser-pour augmenter la rugosité de la surface. L'analyse profilométrique a montré une rugosité de surface (Sa) de 3,3 µm et une profondeur de 51,499 µm. Les couches ont ensuite été appliquées à l’aide d’une méthode à la lame, pour obtenir une épaisseur uniforme :
Poudre grossière : couches de 100 à 200 µm
Poudre fine : couches de 50 µm
Figure 4 – Effet de puissance sur le traitement des poudres grossières
L’utilisation de lasers USP en FA présente un défi : faire fondre la poudre sans provoquer d’ablation. Un excès de puissance entraîne une éjection de particules ou un endommagement du substrat. La réduction de la puissance laser en dessous du seuil d'ablation entraîne une fusion réussie.
À des puissances inférieures à 0,5 W, la poudre fine reste inchangée, tandis qu'au-dessus de ce seuil, les particules fondent et fusionnent en sphères plus grandes.
Figure 5 – Variation de puissance sur les poudres fines
L'augmentation de la puissance de 0,59 W à 0,765 W améliore la fusion, produisant des surfaces plus lisses et plus uniformes. La rugosité de surface (Sa) a diminué de 3,45 µm à 2,58 µm.
Figure 6 – Effet de la vitesse de numérisation
À 0,674 W et une distance de trappe de 10 µm :
La réduction de la vitesse de balayage de 5 mm/s à 2,5 mm/s a augmenté l'accumulation de chaleur et la coalescence des particules, agrandissant les amas et augmentant Sa de 5,43 µm à 6,75 µm.
À 0,765 W, un balayage plus lent a conduit à des résultats plus fluides (Sa ≈ 3,9 à 4,1 µm).
Figure 7 – Effet combiné de la puissance et de la vitesse
À des niveaux de puissance plus élevés (0,85 à 0,935 W) et des vitesses de balayage allant jusqu'à 2,5 mm/s, Sa a encore diminué pour atteindre 3,5 à 3,8 µm. En dessous de 1,5 mm/s, une surchauffe provoque la rupture et la combustion de la poudre.
Figure 8 – Réduction de la distance des trappes
La réduction de la distance d'éclosion de 7 µm à 5 µm a amélioré de manière significative la qualité de la surface - Sa a chuté de 6,75 µm à 4,1 µm. Des distances trop grandes entraînaient une fusion inégale et la formation de défauts.
Figure 9 – Influence de la distance des hachures
Dans des fenêtres de puissance et de vitesse optimales, la réduction de la distance des trappes a constamment amélioré l'uniformité de la surface, atteignant un Sa aussi bas que 2 à 3 µm. Des ajustements de vitesse étaient nécessaires pour équilibrer l’accumulation de chaleur.
Figure 10 – Paramètres de processus optimaux
Les meilleures conditions de traitement ont permis d'obtenir une surface fondue très uniforme avec un Sa de 2,37 µm en utilisant :
Puissance des lasers :0.775 W
Vitesse de numérisation :2,5 mm/s
Distance des trappes :7.5 µm
4. Conclusion
Pour évaluer le potentiel des lasers USP dans la fabrication additive, des lasers femtoseconde ont été intégrés au processus LPBF en utilisant deux types de poudres d'acier inoxydable-. L'étude conclut quepuissance laserest le facteur le plus critique - une puissance excessive provoque l'ablation, tandis qu'une puissance insuffisante empêche la fusion.
Une fois qu'une fenêtre de puissance optimale a été établie (0,775 à 0,935 W), le réglage fin-de la vitesse de balayage et de la distance des hachures a encore amélioré la douceur de la surface. Les meilleurs résultats ont été obtenus à :
Pouvoir: 0.775–0.935 W
Vitesse de numérisation :2,5 mm/s
Distance des trappes : 5–7.5 µm
Grâce à ces paramètres optimisés, une fusion uniforme et une rugosité de surface minimale ont été obtenues, confirmant la faisabilité des lasers USP pour la fabrication additive de haute-précision de composants à micro-échelle-.
