1. Introducción al artículo
En la fabricación aditiva (AM), los láseres de pulso ultracorto (USP) se pueden utilizar para procesar diversos materiales y potencialmente reducir el tamaño y la forma de las piezas fabricadas con esta tecnología. Este trabajo demuestra que los láseres USP son una alternativa viable a la fusión por láser en lecho de polvo (LPBF), especialmente cuando se requiere una mayor precisión en la fabricación de ciertas piezas críticas. El estudio logró los resultados deseados utilizando partículas de polvo de acero inoxidable-hechas a medida y de fabricación propia-y fabricó capas cuadradas consistentes a través de una serie de parámetros de proceso optimizados.
Este estudio confirma que los parámetros del proceso desempeñan un papel crucial cuando se utiliza este tipo de láser, ya que incluso pequeñas desviaciones en cualquier parámetro pueden provocar una fusión incompleta. La fusión se logró con tasas de repetición de pulso bajas (500 kHz) y valores de potencia del láser promedio bajos (0,5 a 1 W) reduciendo la velocidad de escaneo para generar acumulación de calor. Esto abre posibilidades para reducir aún más el tamaño mínimo de las piezas y es importante cuando se utilizan láseres USP en AM.
2. Descripción general del texto completo
Con el desarrollo de la tecnología de fabricación aditiva, los láseres de femtosegundo tienen amplias perspectivas de aplicación en el procesamiento láser de acero inoxidable 316L. Este artículo resume e introduce un trabajo de investigación sobre el estudio de los parámetros del proceso en el procesamiento con láser de femtosegundo de acero inoxidable 316L. El objetivo principal de esta investigación fue investigar los efectos de los parámetros del proceso, como la potencia del láser, el tamaño de las partículas de polvo, la velocidad de escaneo y la distancia de la línea de sombra, sobre la calidad y el rendimiento del material procesado, con el fin de optimizar las condiciones de procesamiento.
En el estudio, el equipo de investigación presentó por primera vez las características y aplicabilidad del acero inoxidable 316L y profundizó en los principios y procesos del procesamiento con láser de femtosegundo. Posteriormente, se centraron en la influencia de parámetros clave del proceso, como la potencia del láser, el tamaño de las partículas de polvo, la velocidad de escaneo y la distancia de la línea de sombra, en la calidad del procesamiento.
A través de una investigación experimental, el equipo de investigación determinó un rango de potencia del láser adecuado para evitar una ablación excesiva y daños materiales. También estudiaron el efecto de diferentes tamaños de partículas de polvo en la calidad del procesamiento y descubrieron que tamaños de partículas de polvo más finos podrían lograr un mejor control del baño fundido y una mayor precisión de formación. Además, el equipo de investigación exploró los efectos de la velocidad de escaneo y la distancia de la línea de sombra en la calidad de la superficie y la eficiencia del procesamiento de los componentes. Al ajustar la velocidad de escaneo y la distancia de la línea de sombra, redujeron con éxito los defectos superficiales y la formación de huecos, y mejoraron la calidad y eficiencia del procesamiento.
Finalmente, el equipo de investigación discutió las perspectivas de aplicación de los láseres de femtosegundo en el procesamiento láser de acero inoxidable 316L y señaló los desafíos en la investigación actual y las direcciones de desarrollo futuro.
3. Análisis gráfico Los láseres de pulso ultracorto (USP) pueden generar anchos de pulso extremadamente cortos, generalmente dentro de la escala de tiempo de femtosegundos (10⁻¹⁵ segundos) a picosegundos (10⁻¹² segundos). El principio de los láseres USP se basa en efectos ópticos no lineales y tecnología óptica ultrarrápida.
El componente central de un láser USP es una cavidad resonante del láser, que incluye un medio láser (como un cristal Nd:YAG o un cristal de Ti:zafiro) y un medio de ganancia láser (como un diodo láser o una lámpara de flash) que amplifica la luz.
El proceso de amplificación del láser se logra mediante emisión estimulada. Bajo la acción de la fuente de excitación (como un diodo láser o una lámpara de destello), los átomos o iones del medio láser se excitan a un alto nivel de energía. Cuando regresan al estado fundamental, liberan fotones mediante emisión estimulada. Estos fotones se reflejan hacia adelante y hacia atrás en la cavidad resonante, son amplificados por el medio de ganancia y finalmente forman una potente salida láser.
El láser USP es capaz de generar pulsos ultracortos utilizando los efectos no lineales de la luz y la óptica ultrarrápida. En el medio láser, la propagación de la luz induce efectos no lineales como la modulación de auto-fase y la refracción óptica no lineal. Estos efectos provocan cambios en el espectro del pulso, haciéndolo más amplio. Al introducir elementos ópticos no lineales (como cristales de duplicación de frecuencia-o fibras ópticas) en la cavidad resonante, el espectro del pulso se puede modular aún más, estrechándolo y formando pulsos ultracortos.
Además, el láser USP utiliza una óptica ultrarrápida para lograr la compresión del pulso. Mediante el uso de elementos como rejillas, fibras ópticas y cristales no lineales, el pulso se puede comprimir en el tiempo, logrando anchos de pulso en el rango de femtosegundos y picosegundos.
La Figura 1 muestra la evolución de la temperatura bajo diferentes valores de potencia del láser. Cuando el valor de potencia es demasiado alto (curva roja), la temperatura excede el umbral de fusión y ablación; mientras que cuando el valor de potencia es demasiado bajo (curva verde), la temperatura no alcanza el umbral de fusión. En el valor de potencia óptimo (curva azul), la temperatura es suficiente para fundir el material sin provocar ablación.
Ceit puede proporcionar polvos metálicos personalizados para AM. Aprovechando esta ventaja, Ceit ha comenzado a utilizar sus propias partículas de polvo metálico atomizadas con gas-fabricadas. Para investigar el efecto del tamaño de las partículas de polvo en los resultados, se seleccionaron dos tamaños de polvo diferentes y se denominaron, en orden, polvo grueso (distribución de tamaño de partículas de 20-45 µm) y polvo fino (<20µm particle size distribution) to distinguish them, as shown in Figure 2.
Para abordar el desafío de lograr la deposición de polvo fino deseada, la superficie del sustrato se trató primero con láser-para aumentar su rugosidad y mejorar la adhesión entre el sustrato y el polvo. Tras el proceso de ablación láser, se perfiló la zona tratada mediante un perfilómetro óptico 3D (Sensofar S Neox), obteniéndose un valor de Sa de 3,3 µm y una profundidad de 51,499 µm. Luego se aplicó una primera capa en esta zona utilizando una cuchilla sin ranuras, permitiendo que el polvo se rellenara y se adhiriera al sustrato. Posteriormente, se aplicaron capas posteriores utilizando una combinación de cuchillas con ranuras añadidas, formando estructuras de hasta 250 µm de espesor. Este método logró espesores de capa uniformes: 100 y 200 µm para polvos gruesos y 50 µm para polvos finos. El proceso de recubrimiento en polvo se realizó utilizando una cuchilla, como se muestra en la Figura 3.
Al aplicar láseres USP a AM, un desafío importante es entregar la alta energía de los pulsos de láser de femtosegundo a los polvos metálicos para fundirlos y evitar la ablación. La ablación ocurre si la potencia es demasiado alta o la tasa de entrega es incorrecta. La ablación puede ocurrir en las partículas de polvo o en el sustrato. Esto último hace que las partículas sean expulsadas del área de procesamiento al área de ablación circundante, como se muestra en las Figuras 4a) ac).
Al reducir la potencia por debajo del valor máximo aceptable del rango de ablación, se puede observar una transición relativamente rápida desde un sustrato completamente eliminado a ningún efecto sobre el sustrato o el polvo. Esto concuerda mucho con los resultados encontrados por Groeningdick y Mayer en sus experimentos. Esta transición también se produce cuando se utilizan pulsos más largos, pero en el caso de pulsos de femtosegundos la ventana del proceso es significativamente más estrecha. En experimentos con polvos finos también se encontró un límite inferior por debajo del cual el polvo no se ve afectado. En este caso, se observaron resultados similares a los observados en la Figura 4-d) cuando la potencia estaba por debajo de 0,5 W. Cuando la potencia aumentó por encima de este valor, el polvo comenzó a derretirse y las partículas se agregaron para formar esferas más grandes.
Primero, se ajustó la potencia del láser al límite inferior del proceso de ventana, utilizando valores de potencia de 0,68W y 0,765W. Luego, la velocidad de escaneo se redujo de 5 mm/s al valor más bajo posible. Para la primera prueba, utilizamos 0,68W. A medida que aumentaba el número de pulsos por unidad de área, aumentaba la acumulación de calor, el polvo metálico comenzó a fundirse, las partículas se adhirieron entre sí y formaron partículas más grandes mediante aglomeración.
En la Figura 6, cuando la velocidad de escaneo se redujo a la mitad de su valor original, podemos observar un aumento en el tamaño de las partículas, lo que resulta en la formación de aglomerados de polvo más grandes en el área de proceso. Este aumento de tamaño provocó que Sa aumentara de 5,43 µm a 6,75 µm. Por el contrario, en el experimento realizado a 0,765 W, la reducción de la velocidad de escaneo dio como resultado una ligera disminución en Sa desde 6,89 µm. En ambos niveles de potencia, la reducción de la velocidad de escaneo produjo mejores resultados, reduciendo el valor de Sa a 3,9–4,1 µm. Esto se debe a que a medida que disminuye la velocidad, los aglomerados tienden a fusionarse en una sola capa, lo que da como resultado una estructura más uniforme.
