논문개요
1. 소개
AM(적층 가공)에서 USP(초단 펄스) 레이저는 다양한 재료를 처리할 수 있으며 제작된 부품의 크기와 복잡성을 줄일 수 있는 가능성을 제공합니다. 이 연구는 특히 더 높은 정밀도가 요구되는 중요한 부품을 제조할 때 LPBF(레이저 분말층 융합) 시스템의 대안으로 USP 레이저를 사용할 수 있는 가능성을 보여줍니다. 맞춤형 및 자체 생산된-스테인리스-강 분말 입자를 사용하여 연구원들은 원하는 결과를 달성하고 일련의 처리 매개변수를 최적화하여 일관된 사각형 레이어를 성공적으로 제작했습니다.
이 연구는 USP 레이저를 사용할 때 공정 매개변수가 중요한 역할을 한다는 것을 확인합니다. - 이러한 매개변수에 사소한 편차가 있어도 불완전한 용융이 발생할 수 있습니다. 열 축적을 촉진하기 위해 스캐닝 속도를 줄임으로써 낮은 펄스 반복 주파수(500kHz)와 낮은 평균 레이저 출력(0.5-1W)에서 용융이 달성되었습니다. 이 접근 방식은 부품 크기를 더욱 최소화할 수 있는 가능성을 제공하며, 이는 USP 레이저 소스를 사용하여 AM을 발전시키는 데 중요합니다.
2. 연구 요약
적층 제조의 지속적인 개발로 펨토초 레이저는 316L 스테인리스강 가공에 대한 유망한 잠재력을 보여줍니다. 이 논문은 316L 스테인리스강의 펨토초 레이저 가공에서 공정 매개변수의 영향에 대한 연구를 요약하고 검토합니다. 연구의 주요 목적은 제조 조건을 최적화하기 위해 레이저 출력, 분말 입자 크기, 스캔 속도 및 해치 거리가 가공 품질과 재료 성능에 어떤 영향을 미치는지 조사하는 것입니다.
연구진은 먼저 316L 스테인리스강의 특성과 적합성을 소개한 다음 펨토초 레이저 가공의 작동 원리와 메커니즘을 자세히 설명했습니다. 그 후, 그들은 레이저 출력, 입자 크기, 스캔 속도 및 해치 거리-를 포함한 주요 매개변수 -가 재료 품질에 어떻게 영향을 미치는지에 초점을 맞췄습니다.
실험적 연구를 통해 팀은 과도한 절제 및 재료 손상을 방지하기 위한 최적의 레이저 출력 범위를 식별했습니다. 그들은 또한 더 미세한 분말 입자가 더 나은 용융 풀 제어와 더 높은 성형 정확도로 이어진다는 것을 발견했습니다. 또한, 스캐닝 속도와 해치 거리를 조정하면 표면 결함과 다공성을 줄여 품질과 효율성이 모두 향상되는 것으로 나타났습니다.
마지막으로, 이 연구에서는 316L 스테인리스강 제조에서 펨토초 레이저의 적용 전망에 대해 논의하고 현재의 과제와 미래 연구 방향을 강조했습니다.
3. 실험분석 및 수치
3.1 USP 레이저 원리
초단 펄스(USP) 레이저는 일반적으로 펨토초(10⁻1⁵s)에서 피코초(10⁻1²s) 범위의 매우 짧은 펄스 지속 시간을 생성합니다. 이러한 레이저는 비선형 광학 효과와 초고속 광학에 의존합니다.
USP 레이저의 핵심 구성 요소는 레이저 매질(예: Nd:YAG 또는 Ti:사파이어 크리스탈)과 이득 소스(예: 레이저 다이오드 또는 플래시 램프)를 포함하는 공진 공동입니다. 증폭 과정은 유도 방출을 통해 발생하며, 여기서 광자는 공동의 거울 사이에서 반복적으로 반사되고 증폭되어 궁극적으로 강력한 출력 빔을 형성합니다.
USP 레이저는 자체 위상 변조 및 비선형 굴절과 같은 비선형 광학 효과를 활용하여 매우 짧은 펄스 지속 시간을 달성합니다. 주파수-배가 결정 또는 섬유와 같은 광학 요소는 펄스 스펙트럼을 넓히고 압축하여 펨토초 범위의 펄스 지속 시간에 도달하는 데 도움이 됩니다.
그림 1 - 다양한 레이저 출력에서의 온도 변화
그림 1은 레이저 출력의 변화에 따라 온도가 어떻게 변하는지 보여줍니다.
고전력(빨간색 곡선):온도가 용융 및 절제 임계값을 초과합니다.
저전력(녹색 곡선):녹기에는 온도가 부족합니다.
최적의 전력(파란색 곡선):절제 없이 용융을 가능하게 합니다.
그림 2 – 거친 분말과 미세한 분말의 SEM 이미지
Ceit는 AM용 맞춤형 가스{0}}분무 금속 분말을 개발했습니다. 두 가지 유형의 분말이 사용되었습니다.
굵은 분말(20~45μm)
미세분말(<20 µm)
미세 분말은 향상된 용융 제어 및 층 균일성을 달성했습니다.
그림 3 - 첫 번째 레이어 증착 프로세스
분말 접착력을 향상시키기 위해 먼저 기판을 레이저-처리하여 표면 거칠기를 높였습니다. 프로파일 분석 결과 표면 거칠기(Sa)는 3.3μm, 깊이는 51.499μm로 나타났습니다. 그런 다음 블레이드 방법을 사용하여 레이어를 적용하여 균일한 두께를 얻었습니다.
거친 분말: 100~200 µm 층
미세 분말: 50μm 층
그림 4 – 거친 분말 가공에 대한 전력 효과
AM에서 USP 레이저를 사용하면 절제를 유발하지 않고 분말을 녹이는 문제가 발생합니다. 과도한 전력으로 인해 입자가 방출되거나 기판이 손상될 수 있습니다. 레이저 출력을 절제 임계값 아래로 줄이면 성공적인 용융이 발생합니다.
0.5W 미만의 전력에서는 미세한 분말이 영향을 받지 않는 반면, 이 임계값 이상에서는 입자가 녹아 더 큰 구체로 합쳐집니다.
그림 5 – 미세 분말의 전력 변화
0.59W에서 0.765W로 전력을 증가시키면 용융이 향상되어 더 매끄럽고 균일한 표면이 생성됩니다. 표면 거칠기(Sa)는 3.45μm에서 2.58μm로 감소했습니다.
그림 6 - 스캔 속도의 영향
0.674W 및 10μm 해치 거리에서:
스캐닝 속도를 5mm/s에서 2.5mm/s로 줄이면 열 축적과 입자 유착이 증가하고 클러스터가 확대되고 Sa가 5.43μm에서 6.75μm로 높아집니다.
0.765W에서는 스캔 속도가 느려질수록 결과가 더 매끄러워졌습니다(Sa ≒ 3.9–4.1 µm).
그림 7 – 출력과 속도의 결합 효과
더 높은 전력 수준(0.85~0.935W)과 2.5mm/s의 스캔 속도에서 Sa는 3.5~3.8μm로 더욱 감소했습니다. 1.5mm/s 미만에서는 과열로 인해 분말이 파열되고 연소됩니다.
그림 8 - 해치 거리 감소
해치 거리를 7μm에서 5μm로 줄이면 표면 품질이 크게 향상됩니다. - Sa는 6.75μm에서 4.1μm로 떨어졌습니다. 거리가 너무 멀면 용융이 고르지 않고 결함이 형성됩니다.
그림 9 - 해치 거리 영향
최적의 출력 및 속도 창 내에서 해치 거리를 줄이면 표면 균일성이 지속적으로 향상되어 Sa가 2~3μm까지 낮아졌습니다. 열 축적의 균형을 맞추려면 속도 조정이 필요했습니다.
그림 10 - 최적의 공정 매개변수
최상의 처리 조건은 다음을 사용하여 Sa가 2.37μm인 매우 균일한 용융 표면을 달성했습니다.
레이저 출력:0.775 W
스캔 속도:2.5mm/초
해치 거리:7.5 µm
4. 결론
적층 제조에서 USP 레이저의 잠재력을 평가하기 위해 두 가지 유형의 스테인리스강 분말을 사용하여 펨토초 레이저를 LPBF 공정에 통합했습니다.- 이 연구는 다음과 같이 결론을 내립니다.레이저 파워가장 중요한 요소입니다. - 과도한 전력은 절제를 유발하고 너무 적은 전력은 용융을 방지합니다.
최적의 전력 창(0.775~0.935W)이 설정된 후에는{2}}스캐닝 속도와 해치 거리를 미세 조정하여 표면 매끄러움을 더욱 향상시켰습니다. 최고의 결과는 다음에서 달성되었습니다.
힘: 0.775–0.935 W
스캔 속도:2.5mm/초
해치 거리: 5–7.5 µm
이러한 최적화된 매개변수 하에서 균일한 용융과 최소한의 표면 거칠기가 달성되어 마이크로{0}}규모 부품의 고정밀 적층 제조에 USP 레이저의 타당성이 확인되었습니다.-
