Visão geral do papel
1. Introdução
Na fabricação aditiva (AM), os lasers de pulso ultracurto (USP) permitem o processamento de uma ampla gama de materiais e oferecem potencial para reduzir as dimensões e a complexidade dos componentes fabricados. Este estudo demonstra a viabilidade do uso de lasers USP como alternativa aos sistemas Laser Powder Bed Fusion (LPBF), principalmente para fabricação de peças críticas que exigem maior precisão. Usando partículas de pó de aço inoxidável-produzidas-personalizadas e próprias, os pesquisadores alcançaram os resultados desejados e fabricaram com sucesso camadas quadradas consistentes, otimizando uma série de parâmetros de processamento.
O estudo confirma que os parâmetros do processo desempenham um papel crítico ao usar lasers USP - mesmo pequenos desvios nesses parâmetros podem resultar em fusão incompleta. Ao reduzir a velocidade de varredura para promover o acúmulo de calor, a fusão foi alcançada em baixas frequências de repetição de pulso (500 kHz) e baixas potências médias do laser (0,5–1 W). Essa abordagem oferece o potencial de minimizar ainda mais o tamanho da peça, o que é significativo para o avanço da AM usando fontes de laser USP.
2. Resumo do Estudo
Com o desenvolvimento contínuo da fabricação aditiva, os lasers de femtosegundo apresentam potencial promissor para o processamento de aço inoxidável 316L. Este artigo resume e revisa um estudo sobre a influência dos parâmetros de processo no processamento a laser de femtosegundo do aço inoxidável 316L. O principal objetivo da pesquisa é investigar como a potência do laser, o tamanho das partículas do pó, a velocidade de varredura e a distância de eclosão afetam a qualidade do processamento e o desempenho do material, a fim de otimizar as condições de fabricação.
Os pesquisadores primeiro apresentaram as características e adequação do aço inoxidável 316L e, em seguida, detalharam o princípio de funcionamento e os mecanismos do processamento do laser de femtosegundo. Posteriormente, eles se concentraram em como parâmetros-chave - incluindo potência do laser, tamanho de partícula, velocidade de varredura e distância de eclosão - influenciam a qualidade do material.
Através de estudos experimentais, a equipe identificou uma faixa ideal de potência do laser para evitar ablação excessiva e danos materiais. Eles também descobriram que partículas de pó mais finas levam a um melhor controle da poça de fusão e maior precisão de formação. Além disso, foi demonstrado que os ajustes na velocidade de digitalização e na distância de hachura reduzem os defeitos superficiais e a porosidade, melhorando a qualidade e a eficiência.
Por fim, o estudo discutiu as perspectivas de aplicação dos lasers de femtossegundos na fabricação de aço inoxidável 316L, destacando os desafios atuais e as direções futuras de pesquisas.
3. Análise Experimental e Figuras
3.1 Princípio do Laser USP
Lasers de pulso ultracurto (USP) geram durações de pulso extremamente curtas, normalmente na faixa de femtossegundos (10⁻¹⁵ s) a picossegundos (10⁻¹² s). Esses lasers contam com efeitos ópticos não lineares e óptica ultrarrápida.
O componente principal de um laser USP é a cavidade ressonante, que contém um meio de laser (por exemplo, Nd:YAG ou Ti:cristal de safira) e uma fonte de ganho (como diodos de laser ou lâmpadas de flash). O processo de amplificação ocorre através de emissão estimulada, onde os fótons refletem repetidamente entre os espelhos na cavidade e são amplificados, formando um poderoso feixe de saída.
Os lasers USP atingem durações de pulso ultracurtas aproveitando efeitos ópticos não lineares, como modulação de auto-fase e refração não linear. Elementos ópticos, como cristais ou fibras que duplicam a frequência, ajudam a ampliar e comprimir o espectro de pulso, atingindo durações de pulso na faixa de femtossegundos.
Figura 1 – Evolução da temperatura em diferentes potências de laser
A Figura 1 ilustra como a temperatura muda com a variação da potência do laser.
Alta potência (curva vermelha):a temperatura excede os limites de fusão e ablação.
Baixa potência (curva verde):temperatura insuficiente para fusão.
Potência ideal (curva azul):permite a fusão sem ablação.
Figura 2 – Imagens SEM de pós grossos e finos
A Ceit desenvolveu pós metálicos-atomizados a gás personalizados para AM. Dois tipos de pó foram usados:
Pó grosso (20–45 µm)
Pó fino (<20 µm)
Os pós finos alcançaram melhor controle de fusão e uniformidade de camada.
Figura 3 – Processo de Deposição da Primeira Camada
Para melhorar a adesão do pó, o substrato foi primeiro tratado-a laser para aumentar a rugosidade da superfície. A análise perfilométrica mostrou rugosidade superficial (Sa) de 3,3 µm e profundidade de 51,499 µm. As camadas foram então aplicadas usando um método de lâmina, obtendo espessura uniforme:
Pó grosso: camadas de 100–200 µm
Pó fino: camadas de 50 µm
Figura 4 – Efeito de potência no processamento de pó grosso
Usar lasers USP em AM apresenta um desafio: derreter o pó sem causar ablação. O excesso de energia leva à ejeção de partículas ou danos ao substrato. A redução da potência do laser abaixo do limite de ablação resulta em uma fusão bem-sucedida.
Em potências abaixo de 0,5 W, o pó fino permanece inalterado, enquanto acima deste limite as partículas derretem e coalescem em esferas maiores.
Figura 5 – Variação de Potência em Pós Finos
Aumentar a potência de 0,59 W para 0,765 W melhorou a fusão, produzindo superfícies mais lisas e uniformes. A rugosidade superficial (Sa) diminuiu de 3,45 µm para 2,58 µm.
Figura 6 – Efeito da velocidade de digitalização
A 0,674 W e distância de hachura de 10 µm:
A redução da velocidade de varredura de 5 mm/s para 2,5 mm/s aumentou o acúmulo de calor e a coalescência de partículas, ampliando os aglomerados e aumentando o Sa de 5,43 µm para 6,75 µm.
A 0,765 W, a varredura mais lenta levou a resultados mais suaves (Sa ≈ 3,9–4,1 µm).
Figura 7 – Efeito Combinado de Potência e Velocidade
Em níveis de potência mais elevados (0,85–0,935 W) e velocidades de varredura até 2,5 mm/s, Sa diminuiu ainda mais para 3,5–3,8 µm. Abaixo de 1,5 mm/s, o superaquecimento causou ruptura e queima do pó.
Figura 8 – Redução da distância de hachura
A redução da distância de eclosão de 7 µm para 5 µm melhorou significativamente a qualidade da superfície - Sa caiu de 6,75 µm para 4,1 µm. Distâncias excessivamente grandes levaram à fusão desigual e à formação de defeitos.
Figura 9 – Influência da distância de hachura
Dentro das janelas ideais de potência e velocidade, a redução da distância de eclosão melhorou consistentemente a uniformidade da superfície, atingindo Sa tão baixo quanto 2–3 µm. Ajustes na velocidade foram necessários para equilibrar o acúmulo de calor.
Figura 10 – Parâmetros de Processo Ótimos
A melhor condição de processamento alcançou uma superfície fundida altamente uniforme com Sa de 2,37 µm usando:
Potência do laser:0.775 W
Velocidade de digitalização:2,5mm/s
Distância de hachura:7.5 µm
4. Conclusão
Para avaliar o potencial dos lasers USP na fabricação aditiva, lasers de femtossegundos foram integrados ao processo LPBF usando dois tipos de pós de aço-inoxidável. O estudo conclui quepotência do laseré o fator mais crítico - potência excessiva causa ablação, enquanto pouca potência evita o derretimento.
Depois que uma janela de potência ideal foi estabelecida (0,775–0,935 W), o-ajuste fino da velocidade de digitalização e da distância de hachura melhorou ainda mais a suavidade da superfície. Os melhores resultados foram alcançados em:
Poder: 0.775–0.935 W
Velocidade de digitalização:2,5mm/s
Distância de hachura: 5–7.5 µm
Sob esses parâmetros otimizados, foram alcançadas fusão uniforme e rugosidade superficial mínima, confirmando a viabilidade dos lasers USP para fabricação aditiva de alta-precisão de componentes em micro{1}}escala.
