1. पेपर परिचय
एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग (एएम) में, अल्ट्राशॉर्ट पल्स (यूएसपी) लेजर का उपयोग विभिन्न सामग्रियों को संसाधित करने और इस तकनीक का उपयोग करके निर्मित भागों के आकार और आकार को संभावित रूप से कम करने के लिए किया जा सकता है। यह कार्य दर्शाता है कि यूएसपी लेजर, लेजर पाउडर बेड फ्यूजन (एलपीबीएफ) का एक व्यवहार्य विकल्प है, खासकर जब कुछ महत्वपूर्ण भागों के निर्माण में उच्च परिशुद्धता की आवश्यकता होती है। अध्ययन ने कस्टम निर्मित और स्वयं निर्मित स्टेनलेस स्टील पाउडर कणों का उपयोग करके वांछित परिणाम प्राप्त किए, और अनुकूलित प्रक्रिया मापदंडों की एक श्रृंखला के माध्यम से लगातार चौकोर परतों का निर्माण किया।
यह अध्ययन पुष्टि करता है कि इस प्रकार के लेजर का उपयोग करते समय प्रक्रिया पैरामीटर एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं, क्योंकि किसी भी एक पैरामीटर में छोटे विचलन भी अपूर्ण पिघलने का कारण बन सकते हैं। गर्मी संचय उत्पन्न करने के लिए स्कैन गति को कम करके कम पल्स पुनरावृत्ति दर (500 किलोहर्ट्ज़) और कम औसत लेजर पावर मान (0.5-1 डब्ल्यू) पर पिघलने को प्राप्त किया गया था। इससे भागों के न्यूनतम आकार को और कम करने की संभावनाएं खुलती हैं और एएम में यूएसपी लेजर का उपयोग करते समय यह महत्वपूर्ण है।
2. पूर्ण पाठ अवलोकन
एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग तकनीक के विकास के साथ, फेमटोसेकंड लेजर के पास 316L स्टेनलेस स्टील के लेजर प्रसंस्करण में व्यापक अनुप्रयोग संभावनाएं हैं। यह पेपर 316L स्टेनलेस स्टील के फेमटोसेकंड लेजर प्रसंस्करण में प्रक्रिया मापदंडों के अध्ययन पर एक शोध पत्र का सारांश और परिचय देता है। इस शोध का मुख्य उद्देश्य प्रसंस्करण स्थितियों को अनुकूलित करने के लिए संसाधित सामग्री की गुणवत्ता और प्रदर्शन पर लेजर पावर, पाउडर कण आकार, स्कैनिंग गति और छाया रेखा दूरी जैसे प्रक्रिया मापदंडों के प्रभावों की जांच करना था।
अध्ययन में, अनुसंधान टीम ने सबसे पहले 316L स्टेनलेस स्टील की विशेषताओं और प्रयोज्यता का परिचय दिया और फेमटोसेकंड लेजर प्रसंस्करण के सिद्धांतों और प्रक्रियाओं के बारे में विस्तार से बताया। इसके बाद, उन्होंने प्रसंस्करण गुणवत्ता पर लेजर पावर, पाउडर कण आकार, स्कैनिंग गति और छाया रेखा दूरी जैसे प्रमुख प्रक्रिया मापदंडों के प्रभाव पर ध्यान केंद्रित किया।
प्रयोगात्मक अनुसंधान के माध्यम से, अनुसंधान टीम ने अत्यधिक उच्छेदन और भौतिक क्षति से बचने के लिए एक उपयुक्त लेजर पावर रेंज निर्धारित की। उन्होंने प्रसंस्करण गुणवत्ता पर विभिन्न पाउडर कण आकारों के प्रभाव का भी अध्ययन किया, और पाया कि महीन पाउडर कण आकार बेहतर पिघला हुआ पूल नियंत्रण और उच्च गठन सटीकता प्राप्त कर सकते हैं। इसके अलावा, अनुसंधान टीम ने घटकों की सतह की गुणवत्ता और प्रसंस्करण दक्षता पर स्कैनिंग गति और छाया रेखा दूरी के प्रभावों का पता लगाया। स्कैनिंग गति और छाया रेखा दूरी को समायोजित करके, उन्होंने सतह के दोषों और शून्य गठन को सफलतापूर्वक कम कर दिया, और प्रसंस्करण गुणवत्ता और दक्षता में सुधार किया।
अंत में, अनुसंधान टीम ने 316L स्टेनलेस स्टील के लेजर प्रसंस्करण में फेमटोसेकंड लेजर के अनुप्रयोग की संभावनाओं पर चर्चा की, और वर्तमान अनुसंधान और भविष्य के विकास दिशाओं में चुनौतियों की ओर इशारा किया।
3. ग्राफिकल विश्लेषण अल्ट्राशॉर्ट पल्स (यूएसपी) लेज़र बेहद कम पल्स चौड़ाई उत्पन्न कर सकते हैं, आमतौर पर फेमटोसेकंड (10⁻¹⁵ सेकंड) से पिकोसेकंड (10⁻¹² सेकंड) के समय के भीतर। यूएसपी लेजर का सिद्धांत ऑप्टिकल नॉनलाइनियर इफेक्ट्स और अल्ट्राफास्ट ऑप्टिक्स तकनीक पर आधारित है।
यूएसपी लेजर का मुख्य घटक एक लेजर अनुनाद गुहा है, जिसमें एक लेजर माध्यम (जैसे कि एनडी: वाईएजी क्रिस्टल या टीआई: नीलमणि क्रिस्टल) और एक लेजर लाभ माध्यम (जैसे लेजर डायोड या फ्लैश लैंप) शामिल है जो प्रकाश को बढ़ाता है।
लेजर प्रवर्धन प्रक्रिया उत्तेजित उत्सर्जन के माध्यम से प्राप्त की जाती है। उत्तेजना स्रोत (जैसे लेजर डायोड या फ्लैश लैंप) की कार्रवाई के तहत, लेजर माध्यम में परमाणु या आयन उच्च ऊर्जा स्तर तक उत्तेजित होते हैं। जब वे जमीनी अवस्था में लौटते हैं, तो वे उत्तेजित उत्सर्जन के माध्यम से फोटॉन छोड़ते हैं। ये फोटॉन गुंजयमान गुहा में आगे और पीछे परावर्तित होते हैं, लाभ माध्यम द्वारा प्रवर्धित होते हैं, और अंत में एक शक्तिशाली लेजर आउटपुट बनाते हैं।
यूएसपी लेजर प्रकाश और अल्ट्राफास्ट ऑप्टिक्स के नॉनलाइनियर प्रभावों का उपयोग करके अल्ट्राशॉर्ट पल्स उत्पन्न करने में सक्षम है। लेज़र माध्यम में, प्रकाश का प्रसार गैर-रेखीय प्रभाव उत्पन्न करता है जैसे स्व--चरण मॉड्यूलेशन और ऑप्टिकल गैर-रेखीय अपवर्तन। ये प्रभाव नाड़ी स्पेक्ट्रम में परिवर्तन का कारण बनते हैं, जिससे यह व्यापक हो जाता है। गुंजयमान गुहा में ऑप्टिकल नॉनलाइनियर तत्वों (जैसे कि आवृत्ति - दोहरीकरण क्रिस्टल या ऑप्टिकल फाइबर) को पेश करके, पल्स स्पेक्ट्रम को और अधिक संशोधित किया जा सकता है, इसे संकीर्ण किया जा सकता है और अल्ट्राशॉर्ट पल्स का निर्माण किया जा सकता है।
इसके अलावा, यूएसपी लेजर पल्स संपीड़न प्राप्त करने के लिए अल्ट्राफास्ट ऑप्टिक्स का उपयोग करता है। झंझरी, ऑप्टिकल फाइबर और नॉनलाइनियर क्रिस्टल जैसे तत्वों का उपयोग करके, पल्स को समय पर संपीड़ित किया जा सकता है, जिससे फेमटोसेकंड और पिकोसेकंड रेंज में पल्स चौड़ाई प्राप्त होती है।
चित्र 1 विभिन्न लेजर पावर मूल्यों के तहत तापमान विकास को दर्शाता है। जब शक्ति मान बहुत अधिक (लाल वक्र) होता है, तो तापमान पिघलने और पृथक्करण की सीमा से अधिक हो जाता है; जबकि जब बिजली का मूल्य बहुत कम (हरा वक्र) होता है, तो तापमान पिघलने की सीमा तक नहीं पहुंचता है। इष्टतम शक्ति मान (नीला वक्र) पर, तापमान बिना अपक्षय के सामग्री को पिघलाने के लिए पर्याप्त है।
Ceit AM के लिए कस्टम मेटल पाउडर उपलब्ध कराने में सक्षम है। इस लाभ का लाभ उठाते हुए, Ceit ने अपने स्वयं निर्मित गैस {{1}परमाणु धातु पाउडर कणों का उपयोग करना शुरू कर दिया है। परिणामों पर पाउडर कण आकार के प्रभाव की जांच करने के लिए, दो अलग-अलग पाउडर आकारों का चयन किया गया है और उन्हें क्रम से नाम दिया गया है, मोटे पाउडर (20-45µm कण आकार वितरण) और महीन पाउडर (<20µm particle size distribution) to distinguish them, as shown in Figure 2.
वांछित महीन पाउडर जमाव को प्राप्त करने की चुनौती को संबोधित करने के लिए, सब्सट्रेट सतह को पहले लेजर से उपचारित किया गया ताकि इसकी खुरदरापन बढ़ाई जा सके और सब्सट्रेट और पाउडर के बीच आसंजन बढ़ाया जा सके। लेज़र एब्लेशन प्रक्रिया के बाद, उपचारित क्षेत्र को 3डी ऑप्टिकल प्रोफिलोमीटर (सेंसोफ़र एस नियोक्स) का उपयोग करके प्रोफाइल किया गया, जिससे 3.3 µm का Sa मान और 51.499 µm की गहराई प्राप्त हुई। फिर बिना खांचे वाले ब्लेड का उपयोग करके इस क्षेत्र पर पहली परत लगाई गई, जिससे पाउडर सब्सट्रेट में भर गया और चिपक गया। इसके बाद, बाद की परतों को अतिरिक्त खांचे के साथ ब्लेड के संयोजन का उपयोग करके लागू किया गया, जिससे 250 माइक्रोन मोटी तक संरचनाएं बनाई गईं। इस विधि ने एक समान परत की मोटाई हासिल की: मोटे पाउडर के लिए 100 और 200 µm और महीन पाउडर के लिए 50 µm। पाउडर कोटिंग प्रक्रिया एक ब्लेड का उपयोग करके की गई थी, जैसा कि चित्र 3 में दिखाया गया है।
एएम पर यूएसपी लेज़रों को लागू करते समय, एक बड़ी चुनौती फेमटोसेकंड लेज़र पल्स की उच्च ऊर्जा को धातु के पाउडर तक पहुंचाना है ताकि उन्हें एब्लेशन से बचाते हुए पिघलाया जा सके। यदि शक्ति बहुत अधिक है या वितरण दर गलत है तो एब्लेशन होता है। एब्लेशन पाउडर कणों या सब्सट्रेट में हो सकता है। उत्तरार्द्ध के कारण कण प्रसंस्करण क्षेत्र से आसपास के पृथक क्षेत्र में बाहर निकल जाते हैं, जैसा कि चित्र 4ए) से सी) में दिखाया गया है।
एब्लेशन रेंज के अधिकतम स्वीकार्य मूल्य से नीचे की शक्ति को कम करके, पूरी तरह से एब्लेटेड सब्सट्रेट से सब्सट्रेट या पाउडर पर कोई प्रभाव नहीं होने पर अपेक्षाकृत तेजी से संक्रमण देखा जा सकता है। यह ग्रोएनिंगडिक और मेयर द्वारा अपने प्रयोगों में पाए गए परिणामों के अनुरूप है। लंबी दालों का उपयोग करते समय यह संक्रमण भी मौजूद होता है, लेकिन फेमटोसेकंड दालों के मामले में प्रक्रिया विंडो काफी संकीर्ण होती है। महीन पाउडर का उपयोग करने वाले प्रयोगों में, एक निचली सीमा भी पाई गई जिसके नीचे पाउडर अप्रभावित रहता है। इस मामले में, चित्र 4-डी में देखे गए परिणामों के समान परिणाम तब देखे गए जब शक्ति 0.5 डब्ल्यू से कम थी। जब शक्ति इस मूल्य से ऊपर बढ़ गई, तो पाउडर पिघलना शुरू हो गया, और कण एकत्रित होकर बड़े गोले बनाने लगे।
सबसे पहले, 0.68W और 0.765W के पावर मानों का उपयोग करके, लेजर पावर को विंडो प्रक्रिया की निचली सीमा तक समायोजित किया गया था। फिर, स्कैन गति को 5 मिमी/सेकेंड से घटाकर न्यूनतम संभव मान कर दिया गया। पहले परीक्षण के लिए, हमने 0.68W का उपयोग किया। जैसे-जैसे प्रति इकाई क्षेत्र में दालों की संख्या में वृद्धि हुई, गर्मी संचय में वृद्धि हुई, धातु पाउडर पिघलना शुरू हो गया, कण एक-दूसरे से चिपक गए, और एकत्रीकरण के माध्यम से बड़े कणों का निर्माण हुआ।
चित्र 6 में, जब स्कैन की गति उसके मूल मूल्य से आधी हो गई, तो हम कण आकार में वृद्धि देख सकते हैं, जिसके परिणामस्वरूप प्रक्रिया क्षेत्र में बड़े पाउडर समूह का निर्माण हुआ। आकार में इस वृद्धि के कारण Sa 5.43µm से बढ़कर 6.75µm हो गया। इसके विपरीत, 0.765W पर किए गए प्रयोग में, स्कैन गति को कम करने से Sa में 6.89μm से थोड़ी कमी आई। दोनों पावर स्तरों पर, स्कैन गति को कम करने से बेहतर परिणाम मिले, जिससे Sa मान 3.9–4.1µm तक कम हो गया। ऐसा इसलिए है क्योंकि जैसे-जैसे गति कम होती जाती है, समूह एक परत में एकत्रित होने लगते हैं, जिसके परिणामस्वरूप अधिक समान संरचना बनती है।
