Nature.com ला भेट दिल्याबद्दल धन्यवाद. तुम्ही वापरत असलेल्या ब्राउझर आवृत्तीमध्ये CSS साठी मर्यादित समर्थन आहे. सर्वोत्तम अनुभवासाठी, आम्ही शिफारस करतो की तुम्ही अपडेटेड ब्राउझर वापरा (किंवा इंटरनेट एक्सप्लोररमध्ये सुसंगतता मोड बंद करा). दरम्यान, सतत समर्थन सुनिश्चित करण्यासाठी, आम्ही स्टाइलिंग आणि जावास्क्रिप्टशिवाय साइट प्रदर्शित करू.
उत्पादन प्रक्रियेत उत्पादनांच्या सूक्ष्म संरचना नियंत्रित करण्यासाठी निवडक लेसर वितळण्यावर आधारित एक नवीन यंत्रणा प्रस्तावित आहे. ही यंत्रणा जटिल तीव्रता-मॉड्युलेटेड लेसर विकिरणाद्वारे वितळलेल्या तलावात उच्च-तीव्रतेच्या अल्ट्रासोनिक लाटा निर्माण करण्यावर अवलंबून असते. प्रायोगिक अभ्यास आणि संख्यात्मक सिम्युलेशन दर्शवितात की ही नियंत्रण यंत्रणा तांत्रिकदृष्ट्या व्यवहार्य आहे आणि आधुनिक निवडक लेसर वितळवण्याच्या मशीनच्या डिझाइनमध्ये प्रभावीपणे एकत्रित केली जाऊ शकते.
अलिकडच्या दशकात जटिल आकाराच्या भागांचे अॅडिटिव्ह मॅन्युफॅक्चरिंग (AM) लक्षणीयरीत्या वाढले आहे. तथापि, निवडक लेसर मेल्टिंग (SLM)1,2,3, डायरेक्ट लेसर मेटल डिपॉझिशन4,5,6, इलेक्ट्रॉन बीम मेल्टिंग7,8 आणि इतर9,10 यासह विविध अॅडिटिव्ह मॅन्युफॅक्चरिंग प्रक्रिया असूनही, भाग सदोष असू शकतात. हे प्रामुख्याने उच्च थर्मल ग्रेडियंट्स, उच्च कूलिंग रेट आणि वितळणाऱ्या आणि पुन्हा वितळणाऱ्या पदार्थांमध्ये हीटिंग सायकलची जटिलता यांच्याशी संबंधित वितळलेल्या पूल सॉलिडिफिकेशन प्रक्रियेच्या विशिष्ट वैशिष्ट्यांमुळे आहे11, ज्यामुळे एपिटॅक्सियल धान्य वाढ आणि लक्षणीय सच्छिद्रता12,13 होते. परिणाम दर्शवितात की, थर्मल ग्रेडियंट्स, कूलिंग रेट आणि मिश्रधातूची रचना नियंत्रित करणे आवश्यक आहे किंवा बारीक समतुल्य धान्य संरचना साध्य करण्यासाठी विविध गुणधर्मांच्या बाह्य क्षेत्रांद्वारे (उदा. अल्ट्रासाऊंड) अतिरिक्त भौतिक धक्के लागू करणे आवश्यक आहे.
पारंपारिक कास्टिंग प्रक्रियेत कंपन उपचारांचा घनीकरण प्रक्रियेवर होणारा परिणाम याबद्दल अनेक प्रकाशने संबंधित आहेत14,15. तथापि, मोठ्या प्रमाणात वितळवण्यावर बाह्य क्षेत्र लागू केल्याने इच्छित सामग्रीची सूक्ष्म रचना तयार होत नाही. जर द्रव अवस्थेचे आकारमान कमी असेल तर परिस्थिती नाटकीयरित्या बदलते. या प्रकरणात, बाह्य क्षेत्र घनीकरण प्रक्रियेवर लक्षणीय परिणाम करते. तीव्र ध्वनिक क्षेत्रांमध्ये विद्युत चुंबकीय प्रभावांचा विचार केला गेला आहे16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, चाप ढवळणे28 आणि दोलन29, स्पंदित प्लाझ्मा आर्क्स30,31 आणि इतर पद्धती32. बाह्य उच्च-तीव्रता अल्ट्रासाऊंड स्रोत (20 kHz वर) वापरून सब्सट्रेटशी जोडा. अल्ट्रासाऊंड-प्रेरित धान्य शुद्धीकरण हे कमी तापमान ग्रेडियंट आणि पोकळ्या निर्माण करून नवीन क्रिस्टलाइट्स निर्माण करण्यासाठी अल्ट्रासाऊंड वाढीमुळे वाढलेल्या रचनात्मक सबकूलिंग झोनला कारणीभूत आहे.
या कामात, आम्ही ऑस्टेनिटिक स्टेनलेस स्टील्सच्या धान्याच्या रचनेत बदल घडवून आणण्याची शक्यता तपासली, ज्यामध्ये वितळणाऱ्या लेसरने निर्माण होणाऱ्या ध्वनी लहरींनी वितळलेल्या तलावाचे सोनिकेशन केले जाते. प्रकाश-शोषक माध्यमावरील लेसर रेडिएशन घटनेच्या तीव्रतेचे मॉड्युलेशन अल्ट्रासोनिक लाटा निर्माण करण्यास कारणीभूत ठरते, ज्यामुळे सामग्रीची सूक्ष्म रचना बदलते. लेसर रेडिएशनचे हे तीव्रतेचे मॉड्युलेशन विद्यमान SLM 3D प्रिंटरमध्ये सहजपणे एकत्रित केले जाऊ शकते. या कामातील प्रयोग स्टेनलेस स्टील प्लेट्सवर केले गेले ज्यांच्या पृष्ठभागावर तीव्रता-मॉड्युलेटेड लेसर रेडिएशनचा संपर्क आला होता. म्हणून, तांत्रिकदृष्ट्या, लेसर पृष्ठभाग उपचार केले जातात. तथापि, जर अशी लेसर उपचार प्रत्येक थराच्या पृष्ठभागावर केली गेली तर, थर-दर-थर बिल्ड-अप दरम्यान, संपूर्ण आकारमानावर किंवा आकारमानाच्या निवडक भागांवर परिणाम साध्य होतात. दुसऱ्या शब्दांत, जर भाग थर-दर-थर बांधला गेला असेल, तर प्रत्येक थराचे लेसर पृष्ठभाग उपचार "लेसर व्हॉल्यूम ट्रीटमेंट" च्या समतुल्य आहे.
अल्ट्रासोनिक हॉर्न-आधारित अल्ट्रासोनिक थेरपीमध्ये, उभ्या असलेल्या ध्वनी लहरींची अल्ट्रासोनिक ऊर्जा संपूर्ण घटकात वितरित केली जाते, तर लेसर-प्रेरित अल्ट्रासोनिक तीव्रता लेसर रेडिएशन शोषलेल्या बिंदूजवळ खूप केंद्रित असते. SLM पावडर बेड फ्यूजन मशीनमध्ये सोनोट्रोड वापरणे गुंतागुंतीचे आहे कारण लेसर रेडिएशनच्या संपर्कात असलेल्या पावडर बेडचा वरचा पृष्ठभाग स्थिर राहिला पाहिजे. याव्यतिरिक्त, भागाच्या वरच्या पृष्ठभागावर कोणताही यांत्रिक ताण नसतो. म्हणून, ध्वनिक ताण शून्याच्या जवळ असतो आणि कण वेग भागाच्या संपूर्ण वरच्या पृष्ठभागावर जास्तीत जास्त मोठेपणा असतो. संपूर्ण वितळलेल्या पूलमधील ध्वनी दाब वेल्डिंग हेडद्वारे निर्माण होणाऱ्या कमाल दाबाच्या 0.1% पेक्षा जास्त असू शकत नाही, कारण स्टेनलेस स्टीलमध्ये 20 kHz च्या वारंवारतेसह अल्ट्रासोनिक लाटांची तरंगलांबी \(\sim 0.3~\text {m}\) असते, आणि खोली सहसा \(\sim 0.3~\text {mm}\ पेक्षा कमी असते. म्हणून, पोकळ्या निर्माण होण्यावर अल्ट्रासाऊंडचा परिणाम कमी असू शकतो.
हे लक्षात घेतले पाहिजे की डायरेक्ट लेसर मेटल डिपॉझिशनमध्ये तीव्रता-मॉड्युलेटेड लेसर रेडिएशनचा वापर हा संशोधनाचा एक सक्रिय क्षेत्र आहे35,36,37,38.
लेसर रेडिएशन घटनेचा माध्यमावरील थर्मल इफेक्ट हा जवळजवळ सर्व लेसर तंत्रांचा आधार आहे 39, 40 सामग्री प्रक्रियेसाठी, जसे की कटिंग41, वेल्डिंग, हार्डनिंग, ड्रिलिंग42, पृष्ठभाग साफ करणे, पृष्ठभाग मिश्रधातू, पृष्ठभाग पॉलिशिंग43, इ. लेसरच्या शोधामुळे सामग्री प्रक्रिया तंत्रांमध्ये नवीन विकासांना चालना मिळाली आणि प्राथमिक निकालांचा सारांश असंख्य पुनरावलोकने आणि मोनोग्राफमध्ये देण्यात आला आहे44,45,46.
हे लक्षात घेतले पाहिजे की माध्यमावरील कोणत्याही स्थिर नसलेल्या क्रियेमुळे, ज्यामध्ये शोषक माध्यमावरील लेसिंग क्रियेचा समावेश आहे, त्यामध्ये कमी-अधिक कार्यक्षमतेने ध्वनिक लहरींचे उत्तेजन होते. सुरुवातीला, मुख्य लक्ष द्रवपदार्थांमधील लाटांच्या लेसर उत्तेजनावर आणि ध्वनीच्या विविध थर्मल उत्तेजन यंत्रणेवर होते (औष्णिक विस्तार, बाष्पीभवन, टप्प्यातील संक्रमणादरम्यान आकारमान बदल, आकुंचन इ.) 47, 48, 49. असंख्य मोनोग्राफ 50, 51, 52 या प्रक्रियेचे आणि त्याच्या संभाव्य व्यावहारिक अनुप्रयोगांचे सैद्धांतिक विश्लेषण प्रदान करतात.
या मुद्द्यांवर नंतर विविध परिषदांमध्ये चर्चा करण्यात आली आणि अल्ट्रासाऊंडच्या लेसर उत्तेजनाचा उपयोग लेसर तंत्रज्ञानाच्या औद्योगिक अनुप्रयोगांमध्ये आणि औषधांच्या औद्योगिक अनुप्रयोगांमध्ये देखील केला जातो. म्हणूनच, असे मानले जाऊ शकते की स्पंदित लेसर प्रकाश शोषक माध्यमावर कार्य करतो त्या प्रक्रियेची मूलभूत संकल्पना स्थापित झाली आहे. SLM-निर्मित नमुन्यांच्या दोष शोधण्यासाठी लेसर अल्ट्रासोनिक तपासणीचा वापर केला जातो55,56.
लेसर-निर्मित शॉक वेव्हजचा पदार्थांवर होणारा परिणाम हा लेसर शॉक पेनिंगचा आधार आहे57,58,59, जो अॅडिटीव्हली उत्पादित भागांच्या पृष्ठभागावरील उपचारांसाठी देखील वापरला जातो60. तथापि, लेसर शॉक मजबूत करणे नॅनोसेकंद लेसर पल्स आणि यांत्रिकरित्या लोड केलेल्या पृष्ठभागांवर (उदा., द्रवाच्या थरासह)59 सर्वात प्रभावी आहे कारण यांत्रिक लोडिंगमुळे पीक प्रेशर वाढते.
घन पदार्थांच्या सूक्ष्म संरचनेवर विविध भौतिक क्षेत्रांच्या संभाव्य परिणामांची तपासणी करण्यासाठी प्रयोग करण्यात आले. प्रायोगिक सेटअपचा कार्यात्मक आकृती आकृती १ मध्ये दर्शविला आहे. फ्री-रनिंग मोडमध्ये कार्यरत असलेला स्पंदित Nd:YAG सॉलिड-स्टेट लेसर (पल्स कालावधी \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ )) वापरण्यात आला. प्रत्येक लेसर पल्स तटस्थ घनता फिल्टरच्या मालिकेतून आणि बीम स्प्लिटर प्लेट सिस्टममधून जातो. तटस्थ घनता फिल्टरच्या संयोजनावर अवलंबून, लक्ष्यावरील पल्स ऊर्जा \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) ते \(E_L \sim 100~\text {mJ}\) पर्यंत बदलते. बीम स्प्लिटरमधून परावर्तित होणारा लेसर बीम एकाच वेळी डेटा संपादनासाठी फोटोडायोडला दिला जातो आणि दोन कॅलरीमीटर (\(1~\text {ms}\) पेक्षा जास्त प्रतिसाद वेळेसह फोटोडायोड) लक्ष्यावर होणारी घटना आणि त्यापासून परावर्तित होणारी घटना निश्चित करण्यासाठी वापरले जातात आणि दोन पॉवर मीटर (लहान असलेले फोटोडायोड) वापरले जातात. घटना आणि परावर्तित ऑप्टिकल पॉवर निश्चित करण्यासाठी प्रतिसाद वेळा\(<10~\text {ns}\). थर्मोपाइल डिटेक्टर Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 आणि नमुना स्थानावर बसवलेल्या डायलेक्ट्रिक मिररचा वापर करून परिपूर्ण युनिट्समध्ये मूल्ये देण्यासाठी कॅलिब्रेटेड कॅलिब्रेटेड कॅलिब्रेटेड केले गेले. लेन्स (\(1.06 \upmu \text {m}\ वर अँटीरिफ्लेक्शन कोटिंग), फोकल लेंथ \(160~\text {mm}\)) आणि लक्ष्य पृष्ठभागावर बीम कमर 60– \(100~\upmu\text {m}\) वापरून बीम लक्ष्यावर केंद्रित करा.
प्रायोगिक सेटअपचे कार्यात्मक योजनाबद्ध आरेख: १—लेसर; २—लेसर बीम; ३—तटस्थ घनता फिल्टर; ४—सिंक्रोनाइज्ड फोटोडायोड; ५—बीम स्प्लिटर; ६—डायाफ्राम; ७—घटना बीमचे कॅलरीमीटर; ८—प्रतिबिंबित बीमचे कॅलरीमीटर; ९—घटना बीम पॉवर मीटर; १०—प्रतिबिंबित बीम पॉवर मीटर; ११—फोकसिंग लेन्स; १२—आरसा; १३—नमुना; १४—ब्रॉडबँड पायझोइलेक्ट्रिक ट्रान्सड्यूसर; १५—२डी कन्व्हर्टर; १६—पोझिशनिंग मायक्रोकंट्रोलर; १७—सिंक्रोनाइझेशन युनिट; १८—विविध सॅम्पलिंग दरांसह मल्टी-चॅनेल डिजिटल अधिग्रहण प्रणाली; १९—वैयक्तिक संगणक.
अल्ट्रासोनिक उपचार खालीलप्रमाणे केले जातात. लेसर फ्री-रनिंग मोडमध्ये चालतो; म्हणून लेसर पल्सचा कालावधी \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\) असतो, ज्यामध्ये अंदाजे \(1.5~\upmu \text {s } \) प्रत्येकी अनेक कालावधी असतात. लेसर पल्स आणि त्याच्या स्पेक्ट्रमच्या टेम्पोरल आकारात कमी-फ्रिक्वेन्सी लिफाफा आणि उच्च-फ्रिक्वेन्सी मॉड्युलेशन असते, ज्याची सरासरी वारंवारता सुमारे \(0.7~\text {MHz}\) असते, जसे की आकृती 2 मध्ये दर्शविले आहे.- फ्रिक्वेन्सी लिफाफा सामग्रीचे गरम करणे आणि त्यानंतरचे वितळणे आणि बाष्पीभवन प्रदान करतो, तर उच्च वारंवारता घटक फोटोअ‍ॅकॉस्टिक प्रभावामुळे अल्ट्रासोनिक कंपन प्रदान करतो. लेसरद्वारे निर्माण होणाऱ्या अल्ट्रासोनिक पल्सचे वेव्हफॉर्म प्रामुख्याने लेसर पल्स तीव्रतेच्या वेळेच्या आकाराने निश्चित केले जाते. ते \(7~\text {kHz}\) ते \ (2~\text {MHz}\) पर्यंत आहे, आणि मध्यवर्ती वारंवारता \(~ 0.7~\text {MHz}\) आहे. पॉलीव्हिनिलिडीन फ्लोराईड फिल्म्सपासून बनवलेल्या ब्रॉडबँड पायझोइलेक्ट्रिक ट्रान्सड्यूसर वापरून फोटोअ‍ॅकॉस्टिक इफेक्टमुळे होणारे ध्वनिक स्पंदन रेकॉर्ड केले गेले. रेकॉर्ड केलेले वेव्हफॉर्म आणि त्याचे स्पेक्ट्रम आकृती 2 मध्ये दर्शविले आहेत. हे लक्षात घेतले पाहिजे की लेसर स्पंदनांचा आकार फ्री-रनिंग मोड लेसरचा वैशिष्ट्यपूर्ण आहे.
नमुन्याच्या मागील पृष्ठभागावर लेसर पल्स तीव्रता (अ) आणि ध्वनीचा वेग (ब), लेसर पल्सचा स्पेक्ट्रा (क) आणि अल्ट्रासोनिक पल्स (ड) यांचे तात्पुरते वितरण एका लेसर पल्ससाठी (निळा वक्र) सरासरी 300 पेक्षा जास्त लेसर पल्स (लाल वक्र) होते.
लेसर पल्सच्या कमी-फ्रिक्वेन्सी लिफाफ्याशी आणि उच्च-फ्रिक्वेन्सी मॉड्युलेशनशी संबंधित ध्वनिक उपचारांचे कमी-फ्रिक्वेन्सी आणि उच्च-फ्रिक्वेन्सी घटक आपण स्पष्टपणे ओळखू शकतो. लेसर पल्स लिफाफ्याद्वारे निर्माण होणाऱ्या ध्वनिक लहरींची तरंगलांबी \(40~\text {cm}\) पेक्षा जास्त असते; म्हणून, सूक्ष्म संरचनावर ध्वनिक सिग्नलच्या ब्रॉडबँड उच्च-फ्रिक्वेन्सी घटकांचा मुख्य परिणाम अपेक्षित आहे.
SLM मधील भौतिक प्रक्रिया गुंतागुंतीच्या असतात आणि वेगवेगळ्या अवकाशीय आणि ऐहिक स्केलवर एकाच वेळी घडतात. म्हणून, SLM च्या सैद्धांतिक विश्लेषणासाठी बहु-स्केल पद्धती सर्वात योग्य आहेत. गणितीय मॉडेल सुरुवातीला बहु-भौतिक असावेत. निष्क्रिय वायू वातावरणाशी संवाद साधणाऱ्या बहु-चरण माध्यम "घन-द्रव वितळणे" चे यांत्रिकी आणि थर्मोफिजिक्स नंतर प्रभावीपणे वर्णन केले जाऊ शकतात. SLM मधील मटेरियल थर्मल लोडची वैशिष्ट्ये खालीलप्रमाणे आहेत.
\(१०^{१३}~\text {W} सेमी}^२\) पर्यंतच्या पॉवर डेन्सिटीसह स्थानिकीकृत लेसर इरॅडिएशनमुळे गरम आणि थंड होण्याचा दर \(१०^६~\text {K}/\text {s}\) /\text{ पर्यंत.
वितळणे-घनीकरण चक्र 1 आणि \(10~\text {ms}\) दरम्यान असते, जे थंड होण्याच्या दरम्यान वितळण्याच्या क्षेत्राचे जलद घनीकरण करण्यास हातभार लावते.
नमुना पृष्ठभाग जलद गरम केल्याने पृष्ठभागाच्या थरात उच्च थर्मोइलास्टिक ताण तयार होतात. पावडर थराचा पुरेसा (२०% पर्यंत) भाग जोरदारपणे बाष्पीभवन होतो63, ज्यामुळे लेसर अ‍ॅब्लेशनच्या प्रतिसादात पृष्ठभागावर अतिरिक्त दाब भार निर्माण होतो. परिणामी, प्रेरित ताण भाग भूमितीला लक्षणीयरीत्या विकृत करतो, विशेषतः आधार आणि पातळ संरचनात्मक घटकांजवळ. स्पंदित लेसर अ‍ॅनिलिंगमध्ये उच्च ताप दरामुळे पृष्ठभागावरून सब्सट्रेटपर्यंत पसरणाऱ्या अल्ट्रासोनिक स्ट्रेन लाटा निर्माण होतात. स्थानिक ताण आणि ताण वितरणावर अचूक परिमाणात्मक डेटा मिळविण्यासाठी, उष्णता आणि वस्तुमान हस्तांतरणाशी संयुग्मित लवचिक विकृती समस्येचे मेसोस्कोपिक सिम्युलेशन केले जाते.
मॉडेलच्या नियंत्रित समीकरणांमध्ये (१) अस्थिर उष्णता हस्तांतरण समीकरणे समाविष्ट आहेत जिथे थर्मल चालकता फेज स्टेट (पावडर, वितळणे, पॉलीक्रिस्टलाइन) आणि तापमानावर अवलंबून असते, (२) सातत्य पृथक्करण आणि थर्मोइलास्टिक विस्तार समीकरणानंतर लवचिक विकृतीमध्ये चढउतार. सीमा मूल्य समस्या प्रायोगिक परिस्थितींद्वारे निश्चित केली जाते. मॉड्युलेटेड लेसर फ्लक्स नमुना पृष्ठभागावर परिभाषित केला जातो. संवहनी थंड होण्यामध्ये प्रवाहकीय उष्णता विनिमय आणि बाष्पीभवन प्रवाह समाविष्ट असतो. बाष्पीभवन करणाऱ्या पदार्थाच्या संतृप्त वाष्प दाबाच्या गणनेवर आधारित वस्तुमान प्रवाह परिभाषित केला जातो. थर्मोइलास्टिक ताण तापमान फरकाच्या प्रमाणात असतो तेव्हा इलास्टोप्लास्टिक ताण-ताण संबंध वापरला जातो. नाममात्र शक्तीसाठी \(३००~\टेक्स्ट {डब्ल्यू}\), वारंवारता \(१०^५~\टेक्स्ट {हर्ट्झ}\), अधूनमधून गुणांक १०० आणि प्रभावी बीम व्यासाचे \(२००~\अपमु \टेक्स्ट {मी}\).
आकृती ३ मध्ये मॅक्रोस्कोपिक गणितीय मॉडेल वापरून वितळलेल्या झोनच्या संख्यात्मक सिम्युलेशनचे परिणाम दाखवले आहेत. फ्यूजन झोनचा व्यास \(200~\upmu \text {m}\) (\(100~\upmu \text { m}\) त्रिज्या) आणि \(40~\upmu \text {m}\) खोली आहे. सिम्युलेशन निकाल दर्शविते की पल्स मॉड्युलेशनच्या उच्च मधूनमधून घटकामुळे पृष्ठभागाचे तापमान स्थानिक पातळीवर वेळेनुसार \(100~\text {K}\) बदलते. हीटिंग \(V_h\) आणि कूलिंग \(V_c\) दर अनुक्रमे \(10^7\) आणि \(10^6~\text {K}/\text {s}\) च्या क्रमाने आहेत. ही मूल्ये आमच्या मागील विश्लेषणाशी चांगली जुळतात64. \(V_h\) आणि \(V_c\) मधील परिमाणाच्या फरकाच्या क्रमामुळे पृष्ठभागाचा थर जलद ओव्हरहाटिंग होतो, जिथे सब्सट्रेटला थर्मल वहन उष्णता काढून टाकण्यासाठी अपुरे असते. म्हणून, येथे \(t=26~\upmu \text {s}\) पृष्ठभागाचे तापमान \(4800~\text {K}\) पर्यंत पोहोचते. पदार्थाचे जोरदार बाष्पीभवन केल्याने नमुना पृष्ठभाग जास्त दाबाखाली येऊ शकतो आणि सोलून जाऊ शकतो.
३१६ एल सॅम्पल प्लेटवर सिंगल लेसर पल्स अ‍ॅनिलिंगच्या मेल्टिंग झोनचे संख्यात्मक सिम्युलेशन निकाल. पल्सच्या सुरुवातीपासून ते वितळलेल्या पूलच्या खोलीपर्यंतचा वेळ कमाल मूल्यापर्यंत पोहोचतो \(१८०~\upmu\text {s}\). समताप\(T = T_L = १७२३~\text {K}\) द्रव आणि घन टप्प्यांमधील सीमा दर्शवते. समताप (पिवळ्या रेषा) पुढील विभागात तापमानाच्या कार्य म्हणून गणना केलेल्या उत्पन्न ताणाशी संबंधित आहेत. म्हणून, दोन समताप (समताप\(T=T_L\) आणि समताप\(\sigma =\sigma _V(T)\)) मधील डोमेनमध्ये, घन टप्प्यावर जोरदार यांत्रिक भार पडतो, ज्यामुळे सूक्ष्म संरचनामध्ये बदल होऊ शकतात.
हा परिणाम आकृती ४अ मध्ये अधिक स्पष्ट केला आहे, जिथे वितळलेल्या झोनमधील दाब पातळी पृष्ठभागापासून वेळ आणि अंतराच्या कार्य म्हणून प्लॉट केली आहे. प्रथम, दाब वर्तन वरील आकृती २ मध्ये वर्णन केलेल्या लेसर पल्स तीव्रतेच्या मॉड्युलेशनशी संबंधित आहे. सुमारे \(t=26~\upmu वर सुमारे \(10~\text {MPa}\) चा कमाल दाब \text{s}\) आढळला. दुसरे म्हणजे, नियंत्रण बिंदूवरील स्थानिक दाबाच्या चढउतारात \(500~\text {kHz}\ च्या वारंवारतेइतकेच दोलन वैशिष्ट्ये असतात. याचा अर्थ असा की पृष्ठभागावर अल्ट्रासोनिक दाब लहरी निर्माण होतात आणि नंतर सब्सट्रेटमध्ये पसरतात.
वितळणाऱ्या झोनजवळील विरूपण क्षेत्राची गणना केलेली वैशिष्ट्ये आकृती 4b मध्ये दर्शविली आहेत. लेसर अ‍ॅब्लेशन आणि थर्मोइलास्टिक ताण लवचिक विरूपण लाटा निर्माण करतात ज्या सब्सट्रेटमध्ये पसरतात. आकृतीवरून पाहिल्याप्रमाणे, ताण निर्मितीचे दोन टप्पे आहेत. \(t < 40~\upmu \text {s}\ च्या पहिल्या टप्प्यात, मायसेस ताण \(8~\text {MPa}\) पर्यंत वाढतो आणि पृष्ठभागावरील दाबासारखेच मॉड्यूलेशन होते. हा ताण लेसर अ‍ॅब्लेशनमुळे उद्भवतो आणि नियंत्रण बिंदूंमध्ये कोणताही थर्मोइलास्टिक ताण आढळला नाही कारण प्रारंभिक उष्णता-प्रभावित झोन खूप लहान होता. जेव्हा उष्णता सब्सट्रेटमध्ये विरघळली जाते, तेव्हा नियंत्रण बिंदू \(40~\text {MPa}\) पेक्षा जास्त थर्मोइलास्टिक ताण निर्माण करतो.
प्राप्त केलेल्या मॉड्युलेटेड स्ट्रेस लेव्हल्सचा घन-द्रव इंटरफेसवर लक्षणीय परिणाम होतो आणि ते घनीकरण मार्ग नियंत्रित करणारी नियंत्रण यंत्रणा असू शकते. विरूपण झोनचा आकार वितळण्याच्या झोनपेक्षा 2 ते 3 पट मोठा आहे. आकृती 3 मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, वितळण्याच्या समतापीय स्थानाचे स्थान आणि उत्पन्नाच्या ताणाच्या समान ताण पातळीची तुलना केली आहे. याचा अर्थ असा की स्पंदित लेसर इरॅडिएशन तात्काळ वेळेनुसार 300 आणि \(800~\upmu \text {m}\) दरम्यान प्रभावी व्यास असलेल्या स्थानिक भागात उच्च यांत्रिक भार प्रदान करते.
म्हणून, स्पंदित लेसर अॅनिलिंगचे जटिल मॉड्युलेशन अल्ट्रासोनिक परिणामाकडे नेतो. अल्ट्रासोनिक लोडिंगशिवाय SLM शी तुलना केल्यास मायक्रोस्ट्रक्चर सिलेक्शन मार्ग वेगळा असतो. विकृत अस्थिर प्रदेशांमुळे घन टप्प्यात कॉम्प्रेशन आणि स्ट्रेचिंगचे नियतकालिक चक्र सुरू होते. अशा प्रकारे, नवीन धान्य सीमा आणि उप-धान्य सीमांची निर्मिती शक्य होते. म्हणून, खाली दर्शविल्याप्रमाणे, सूक्ष्म संरचनात्मक गुणधर्म जाणूनबुजून बदलले जाऊ शकतात. प्राप्त निष्कर्ष पल्स मॉड्युलेशन-प्रेरित अल्ट्रासाऊंड-चालित SLM प्रोटोटाइप डिझाइन करण्याची शक्यता प्रदान करतात. या प्रकरणात, इतरत्र वापरलेला पायझोइलेक्ट्रिक इंडक्टर 26 वगळता येऊ शकतो.
(a) सममितीच्या अक्षासह पृष्ठभाग 0, 20 आणि \(40~\upmu \text {m}\) पासून वेगवेगळ्या अंतरावर मोजलेला दाब वेळेच्या कार्याप्रमाणे. (b) नमुना पृष्ठभागापासून 70, 120 आणि \(170~\upmu \text {m}\) अंतरावर घन मॅट्रिक्समध्ये मोजलेला वेळेवर अवलंबून असलेला व्हॉन मिसेस ताण.
AISI 321H स्टेनलेस स्टील प्लेट्सवर \(20\times 20\times 5~\text {mm}\) परिमाणांसह प्रयोग केले गेले. प्रत्येक लेसर पल्सनंतर, प्लेट \(50~\upmu \text {m}\) हलते आणि लक्ष्य पृष्ठभागावर लेसर बीमची कमर सुमारे \(100~\upmu \text {m}\) असते. धान्य शुद्धीकरणासाठी प्रक्रिया केलेल्या सामग्रीचे पुनर्वितरण प्रेरित करण्यासाठी त्याच ट्रॅकवर पाच पर्यंत बीम पास केले जातात. सर्व प्रकरणांमध्ये, लेसर रेडिएशनच्या दोलन घटकावर अवलंबून, पुनर्वितरण झोन सोनिकेटेड होता. यामुळे सरासरी धान्य क्षेत्रात 5 पट पेक्षा जास्त घट होते. आकृती 5 दर्शवते की लेसर-वितळलेल्या प्रदेशाची सूक्ष्म रचना त्यानंतरच्या पुनर्वितरण चक्रांच्या (पास) संख्येसह कशी बदलते.
उपप्लॉट्स (a,d,g,j) आणि (b,e,h,k) - लेसर वितळलेल्या प्रदेशांची सूक्ष्म रचना, उपप्लॉट्स (c,f,i,l) - रंगीत धान्यांचे क्षेत्र वितरण. शेडिंग हिस्टोग्राम मोजण्यासाठी वापरल्या जाणाऱ्या कणांचे प्रतिनिधित्व करते. रंग धान्य क्षेत्रांशी जुळतात (हिस्टोग्रामच्या वरच्या बाजूला रंग पट्टी पहा. उपप्लॉट्स (ac) प्रक्रिया न केलेल्या स्टेनलेस स्टीलशी जुळतात आणि उपप्लॉट्स (df), (gi), (jl) 1, 3 आणि 5 रिमेल्टशी जुळतात.
लेसर पल्स एनर्जी नंतरच्या पासेसमध्ये बदलत नसल्यामुळे, वितळलेल्या झोनची खोली सारखीच असते. अशाप्रकारे, त्यानंतरचा चॅनेल मागील चॅनेलला पूर्णपणे "कव्हर" करतो. तथापि, हिस्टोग्राम दर्शवितो की वाढत्या संख्येने पासेससह सरासरी आणि मध्य धान्य क्षेत्र कमी होते. हे सूचित करू शकते की लेसर वितळण्याऐवजी सब्सट्रेटवर कार्य करत आहे.
वितळलेल्या तलावाच्या जलद थंडीमुळे धान्य शुद्धीकरण होऊ शकते65. प्रयोगांचा आणखी एक संच घेण्यात आला ज्यामध्ये स्टेनलेस स्टील प्लेट्सच्या पृष्ठभागांना (321H आणि 316L) वातावरणात सतत लहरी लेसर किरणोत्सर्गाच्या संपर्कात आणण्यात आले (आकृती 6) आणि व्हॅक्यूम (आकृती 7). सरासरी लेसर पॉवर (अनुक्रमे 300 W आणि 100 W) आणि वितळलेल्या तलावाची खोली फ्री-रनिंग मोडमध्ये Nd:YAG लेसरच्या प्रायोगिक निकालांच्या जवळ आहे. तथापि, एक सामान्य स्तंभीय रचना दिसून आली.
सतत लाट असलेल्या लेसरच्या लेसर-वितळलेल्या प्रदेशाची सूक्ष्म रचना (३०० वॅट स्थिर शक्ती, २०० मिमी/सेकंद स्कॅन गती, एआयएसआय ३२१ एच स्टेनलेस स्टील).
(a) सूक्ष्मरचना आणि (b) सतत लाटा लेसर (१०० वॅट स्थिर शक्ती, २०० मिमी/सेकंद स्कॅन गती, AISI ३१६L स्टेनलेस स्टील) वापरून व्हॅक्यूममध्ये लेसर-वितळलेल्या प्रदेशाच्या इलेक्ट्रॉन बॅकस्कॅटर विवर्तन प्रतिमा \ (\sim 2~\text {mbar}\).
म्हणूनच, हे स्पष्टपणे दिसून येते की लेसर पल्स तीव्रतेच्या जटिल मॉड्युलेशनचा परिणामी सूक्ष्म संरचनेवर महत्त्वपूर्ण परिणाम होतो. आमचा असा विश्वास आहे की हा परिणाम यांत्रिक स्वरूपाचा आहे आणि नमुन्यात खोलवर वितळलेल्या विकिरणित पृष्ठभागावरून प्रसारित होणाऱ्या अल्ट्रासोनिक कंपनांच्या निर्मितीमुळे होतो. बाह्य पायझोइलेक्ट्रिक ट्रान्सड्यूसर आणि सोनोट्रोड्स वापरून 13, 26, 34, 66, 67 मध्ये Ti-6Al-4V मिश्र धातु 26 आणि स्टेनलेस स्टील 34 यासह विविध पदार्थांमध्ये उच्च-तीव्रतेचा अल्ट्रासाऊंड प्रदान करणारे समान परिणाम प्राप्त झाले. संभाव्य यंत्रणेचा अंदाज खालीलप्रमाणे आहे. अल्ट्राफास्ट इन सीटू सिंक्रोट्रॉन एक्स-रे इमेजिंगमध्ये दाखवल्याप्रमाणे तीव्र अल्ट्रासाऊंड ध्वनिक पोकळ्या निर्माण करू शकते. पोकळ्या निर्माण करणारे बुडबुडे कोसळल्याने वितळलेल्या पदार्थात शॉक वेव्ह निर्माण होतात, ज्याचा पुढचा दाब सुमारे \(100~\text {MPa}\)69 पर्यंत पोहोचतो. अशा शॉक वेव्ह मोठ्या प्रमाणात द्रवपदार्थांमध्ये गंभीर-आकाराच्या घन-फेज न्यूक्लीच्या निर्मितीला चालना देण्यासाठी पुरेसे मजबूत असू शकतात, ज्यामुळे सामान्य स्तंभीय धान्य व्यत्यय येतो. थर-दर-थर अॅडिटीव्ह मॅन्युफॅक्चरिंगची रचना.
येथे, आम्ही तीव्र सोनिकेशनद्वारे संरचनात्मक बदलासाठी जबाबदार असलेली आणखी एक यंत्रणा प्रस्तावित करतो. घनीकरणानंतर लगेचच, सामग्री वितळण्याच्या बिंदूच्या जवळ उच्च तापमानावर असते आणि अत्यंत कमी उत्पन्न ताण असतो. तीव्र अल्ट्रासोनिक लाटा प्लास्टिकच्या प्रवाहामुळे गरम, फक्त घनरूप झालेल्या पदार्थाच्या धान्याच्या रचनेत बदल घडवून आणू शकतात. तथापि, उत्पन्न ताणाच्या तापमान अवलंबित्वावरील विश्वसनीय प्रायोगिक डेटा \(T\lesssim 1150~\text {K}\) वर उपलब्ध आहे (आकृती 8 पहा). म्हणून, या गृहीतकाची चाचणी घेण्यासाठी, आम्ही वितळण्याच्या बिंदूजवळ उत्पन्न ताण वर्तनाचे मूल्यांकन करण्यासाठी AISI 316 L स्टील सारख्या Fe-Cr-Ni रचनेचे आण्विक गतिशीलता (MD) सिम्युलेशन केले. उत्पन्न ताण मोजण्यासाठी, आम्ही 70, 71, 72, 73 मध्ये तपशीलवार MD शीअर स्ट्रेस रिलॅक्सेशन तंत्र वापरले. आंतरअणु परस्परसंवाद गणनेसाठी, आम्ही 74 मधील एम्बेडेड अणु मॉडेल (EAM) वापरले. LAMMPS कोड 75,76 वापरून MD सिम्युलेशन केले गेले. MD सिम्युलेशनचे तपशील प्रकाशित केले जातील. इतरत्र. तापमानाच्या कार्याच्या रूपात उत्पन्नाच्या ताणाचे MD गणना परिणाम आकृती 8 मध्ये उपलब्ध प्रायोगिक डेटा आणि इतर मूल्यांकनांसह दर्शविले आहेत77,78,79,80,81,82.
AISI ग्रेड 316 ऑस्टेनिटिक स्टेनलेस स्टीलसाठी उत्पन्नाचा ताण आणि MD सिम्युलेशनसाठी तापमान विरुद्ध मॉडेल रचना. संदर्भांमधून प्रायोगिक मोजमाप: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. पहा.(f)82 हे लेसर-सहाय्यित अॅडिटीव्ह मॅन्युफॅक्चरिंग दरम्यान इन-लाइन स्ट्रेस मापनासाठी उत्पन्नाचा ताण-तापमान अवलंबित्वाचे एक अनुभवजन्य मॉडेल आहे. या अभ्यासातील मोठ्या प्रमाणात MD सिम्युलेशनचे निकाल हॉल-पेच रिलेशनद्वारे सरासरी धान्य आकार लक्षात घेऊन दोष-मुक्त अनंत सिंगल क्रिस्टलसाठी \(\vartriangleft\) आणि मर्यादित धान्यांसाठी \(\vartriangleright\) म्हणून दर्शविले आहेत. परिमाण\(d = 50~\upmu \text {m}\).
असे दिसून येते की \(T>1500~\text {K}\) वर उत्पन्नाचा ताण \(40~\text {MPa}\) पेक्षा कमी होतो. दुसरीकडे, अंदाज असा अंदाज लावतात की लेसर-निर्मित अल्ट्रासोनिक मोठेपणा \(40~\text {MPa}\) पेक्षा जास्त आहे (आकृती 4b पहा), जे नुकत्याच घन झालेल्या गरम पदार्थात प्लास्टिक प्रवाह प्रवृत्त करण्यासाठी पुरेसे आहे.
SLM दरम्यान 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) ऑस्टेनिटिक स्टेनलेस स्टीलच्या सूक्ष्म संरचना निर्मितीची प्रायोगिकरित्या एका जटिल तीव्रता-मॉड्युलेटेड स्पंदित लेसर स्रोताचा वापर करून तपासणी करण्यात आली.
१, ३ किंवा ५ पासनंतर सतत लेसर रिमेल्टिंगमुळे लेसर मेल्टिंग झोनमध्ये धान्याच्या आकारात घट आढळून आली.
मॅक्रोस्कोपिक मॉडेलिंग दर्शविते की ज्या प्रदेशात अल्ट्रासोनिक विकृती घनीकरणाच्या पुढच्या भागावर सकारात्मक परिणाम करू शकते त्या प्रदेशाचा अंदाजे आकार \(1~\text {mm}\) पर्यंत आहे.
सूक्ष्म एमडी मॉडेल दर्शविते की AISI 316 ऑस्टेनिटिक स्टेनलेस स्टीलची उत्पादन शक्ती वितळण्याच्या बिंदूजवळ \(40~\text {MPa}\) पर्यंत लक्षणीयरीत्या कमी झाली आहे.
प्राप्त झालेले निकाल जटिल मॉड्युलेटेड लेसर प्रक्रियेचा वापर करून सामग्रीच्या सूक्ष्म संरचना नियंत्रित करण्याची एक पद्धत सुचवतात आणि स्पंदित SLM तंत्रात नवीन बदल तयार करण्यासाठी आधार म्हणून काम करू शकतात.
लिऊ, वाय. आणि इतर. लेसर निवडक वितळण्याद्वारे इन सिटू TiB2/AlSi10Mg कंपोझिट्सचे सूक्ष्म संरचनात्मक उत्क्रांती आणि यांत्रिक गुणधर्म [J].J. Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (२०२१).
गाओ, एस. आणि इतर. ३१६ एल स्टेनलेस स्टीलच्या लेसर निवडक वितळण्याचे पुनर्स्फटिकीकरण धान्य सीमा अभियांत्रिकी [जे]. जर्नल ऑफ अल्मा मेटर.२००, ३६६–३७७.https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (२०२०).
चेन, एक्स. आणि किउ, सी. लेसर-वितळलेल्या टायटॅनियम मिश्रधातूंच्या लेसर रीहीटिंगद्वारे वाढीव लवचिकता असलेल्या सँडविच मायक्रोस्ट्रक्चर्सचा इन सीटू विकास. विज्ञान. प्रतिनिधि १०, १५८७०. https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (२०२०).
अझार्निया, ए. आणि इतर. लेसर मेटल डिपॉझिशन (LMD) द्वारे Ti-6Al-4V भागांचे अॅडिटिव्ह मॅन्युफॅक्चरिंग: प्रक्रिया, सूक्ष्म संरचना आणि यांत्रिक गुणधर्म.J. Alloys.compound.804, 163–191.https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
कुमारा, सी. आणि इतर. अलॉय ७१८ च्या लेसर मेटल पावडर निर्देशित ऊर्जा निक्षेपणाचे सूक्ष्म संरचनात्मक मॉडेलिंग. जोडा.manufacture.25, 357–364.https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (२०१९).
बुसे, एम. आणि इतर. लेसर शॉकद्वारे उपचारित अॅडिटिव्हली मॅन्युफॅक्चर्ड सॅम्पल्सचा पॅरामीट्रिक न्यूट्रॉन ब्रॅग एज इमेजिंग स्टडी पीनिंग.सायन्स.रिप्रेझेंटेड ११, १४९१९.https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (२०२१).
टॅन, एक्स. आणि इतर. इलेक्ट्रॉन बीम वितळवून अॅडिटीव्हली फॅब्रिकेटेड Ti-6Al-4V चे ग्रेडियंट मायक्रोस्ट्रक्चर आणि यांत्रिक गुणधर्म. अल्मा मेटर जर्नल.97, 1-16.https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).