1. Makalah Pendahuluan
Dalam manufaktur aditif (AM), laser pulsa ultrashort (USP) dapat digunakan untuk memproses berbagai bahan dan berpotensi mengurangi ukuran dan bentuk komponen yang diproduksi menggunakan teknologi ini. Karya ini menunjukkan bahwa laser USP adalah alternatif yang layak untuk laser powder bed fusion (LPBF), terutama ketika diperlukan presisi yang lebih tinggi dalam pembuatan komponen penting tertentu. Studi ini mencapai hasil yang diinginkan menggunakan partikel bubuk baja tahan karat-yang dibuat khusus dan-buatan sendiri, serta membuat lapisan persegi yang konsisten melalui serangkaian parameter proses yang dioptimalkan.
Studi ini menegaskan bahwa parameter proses memainkan peran penting ketika menggunakan jenis laser ini, karena penyimpangan kecil pada salah satu parameter pun dapat menyebabkan peleburan yang tidak sempurna. Pencairan dicapai pada tingkat pengulangan pulsa yang rendah (500 kHz) dan nilai daya laser rata-rata yang rendah (0,5–1 W) dengan mengurangi kecepatan pemindaian untuk menghasilkan akumulasi panas. Hal ini membuka kemungkinan untuk lebih mengurangi ukuran minimum komponen dan hal ini signifikan saat menggunakan laser USP di AM.
2. Ikhtisar Teks Lengkap
Dengan berkembangnya teknologi manufaktur aditif, laser femtosecond memiliki prospek penerapan yang luas dalam pemrosesan laser baja tahan karat 316L. Makalah ini merangkum dan memperkenalkan makalah penelitian tentang studi parameter proses dalam pemrosesan laser femtosecond pada baja tahan karat 316L. Tujuan utama dari penelitian ini adalah untuk menyelidiki pengaruh parameter proses seperti kekuatan laser, ukuran partikel bubuk, kecepatan pemindaian, dan jarak garis bayangan terhadap kualitas dan kinerja bahan yang diproses, untuk mengoptimalkan kondisi pemrosesan.
Dalam studi tersebut, tim peneliti pertama kali memperkenalkan karakteristik dan penerapan baja tahan karat 316L serta menguraikan prinsip dan proses pemrosesan laser femtosecond. Selanjutnya, mereka fokus pada pengaruh parameter proses utama seperti kekuatan laser, ukuran partikel bubuk, kecepatan pemindaian, dan jarak garis bayangan terhadap kualitas pemrosesan.
Melalui penelitian eksperimental, tim peneliti menentukan rentang daya laser yang sesuai untuk menghindari ablasi berlebihan dan kerusakan material. Mereka juga mempelajari pengaruh ukuran partikel bubuk yang berbeda terhadap kualitas pemrosesan, menemukan bahwa ukuran partikel bubuk yang lebih halus dapat mencapai kontrol kumpulan lelehan yang lebih baik dan akurasi pembentukan yang lebih tinggi. Lebih lanjut, tim peneliti mengeksplorasi pengaruh kecepatan pemindaian dan jarak garis bayangan terhadap kualitas permukaan dan efisiensi pemrosesan komponen. Dengan menyesuaikan kecepatan pemindaian dan jarak garis bayangan, mereka berhasil mengurangi cacat permukaan dan pembentukan rongga, serta meningkatkan kualitas dan efisiensi pemrosesan.
Terakhir, tim peneliti membahas prospek penerapan laser femtosecond dalam pemrosesan laser baja tahan karat 316L, dan menunjukkan tantangan dalam penelitian saat ini dan arah pengembangan di masa depan.
3. Analisis Grafis Laser pulsa ultrashort (USP) dapat menghasilkan lebar pulsa yang sangat pendek, biasanya dalam skala waktu femtodetik (10⁻¹⁵ detik) hingga pikodetik (10⁻¹² detik). Prinsip laser USP didasarkan pada efek nonlinier optik dan teknologi optik ultracepat.
Komponen inti laser USP adalah rongga resonansi laser, yang mencakup media laser (seperti kristal Nd:YAG atau kristal Ti:safir) dan media penguatan laser (seperti dioda laser atau lampu flash) yang memperkuat cahaya.
Proses amplifikasi laser dicapai melalui emisi terstimulasi. Di bawah pengaruh sumber eksitasi (seperti dioda laser atau lampu flash), atom atau ion dalam media laser tereksitasi ke tingkat energi yang tinggi. Ketika mereka kembali ke keadaan dasar, mereka melepaskan foton melalui emisi terstimulasi. Foton-foton ini dipantulkan bolak-balik dalam rongga resonansi, diperkuat oleh media penguatan, dan akhirnya membentuk keluaran laser yang kuat.
Laser USP mampu menghasilkan pulsa ultrashort dengan memanfaatkan efek nonlinier cahaya dan optik ultracepat. Dalam media laser, perambatan cahaya menginduksi efek nonlinier seperti modulasi fase-sendiri dan refraksi nonlinier optik. Efek ini menyebabkan perubahan spektrum pulsa sehingga lebih luas. Dengan memasukkan elemen nonlinier optik (seperti kristal pengganda frekuensi atau serat optik) ke dalam rongga resonansi, spektrum pulsa dapat dimodulasi lebih lanjut, mempersempitnya, dan membentuk pulsa ultrashort.
Selain itu, laser USP menggunakan optik ultracepat untuk mencapai kompresi pulsa. Dengan menggunakan elemen seperti kisi-kisi, serat optik, dan kristal nonlinier, pulsa dapat dikompresi dalam waktu, sehingga mencapai lebar pulsa dalam rentang femtodetik dan pikodetik.
Gambar 1 menunjukkan evolusi suhu pada nilai daya laser yang berbeda. Ketika nilai daya terlalu tinggi (kurva merah), suhu melebihi ambang batas peleburan dan ablasi; sedangkan bila nilai daya terlalu rendah (kurva hijau), suhu tidak mencapai ambang batas leleh. Pada nilai daya optimal (kurva biru), temperatur cukup untuk melelehkan material tanpa menyebabkan ablasi.
Ceit mampu menyediakan bubuk logam khusus untuk AM. Memanfaatkan keunggulan ini, Ceit telah mulai menggunakan partikel bubuk logam yang dikabutkan-gas yang diproduksi sendiri. Untuk menyelidiki pengaruh ukuran partikel serbuk pada hasil, dua ukuran serbuk yang berbeda telah dipilih dan diberi nama, secara berurutan, serbuk kasar (distribusi ukuran partikel 20-45µm) dan serbuk halus (<20µm particle size distribution) to distinguish them, as shown in Figure 2.
Untuk mengatasi tantangan dalam mencapai pengendapan serbuk halus yang diinginkan, permukaan media pertama-tama diberi perlakuan laser-untuk meningkatkan kekasarannya dan meningkatkan daya rekat antara media dan serbuk. Setelah proses ablasi laser, area yang dirawat diprofilkan menggunakan profilometer optik 3D (Sensofar S Neox), menghasilkan nilai Sa sebesar 3,3 µm dan kedalaman 51,499 µm. Lapisan pertama kemudian diaplikasikan pada area ini menggunakan pisau tanpa alur, sehingga bubuk dapat terisi dan menempel pada substrat. Selanjutnya, lapisan berikutnya diaplikasikan menggunakan kombinasi bilah dengan alur tambahan, membentuk struktur setebal 250 µm. Metode ini mencapai ketebalan lapisan yang seragam: 100 dan 200 µm untuk serbuk kasar dan 50 µm untuk serbuk halus. Proses powder coating dilakukan dengan menggunakan pisau seperti terlihat pada Gambar 3.
Saat menerapkan laser USP ke AM, tantangan utamanya adalah menyalurkan pulsa laser femtosecond berenergi tinggi ke bubuk logam untuk melelehkannya sekaligus menghindari ablasi. Ablasi terjadi jika daya terlalu tinggi atau kecepatan pengiriman tidak tepat. Ablasi dapat terjadi pada partikel bubuk atau substrat. Yang terakhir ini menyebabkan partikel dikeluarkan dari area pemrosesan ke area ablasi di sekitarnya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4a) hingga c).
Dengan mengurangi daya di bawah nilai maksimum rentang ablasi yang dapat diterima, transisi yang relatif cepat dari substrat yang terablasi sempurna hingga tidak ada efek pada substrat atau bubuk dapat diamati. Hal ini sangat konsisten dengan hasil yang ditemukan oleh Groeningdick dan Mayer dalam eksperimennya. Transisi ini juga terjadi ketika menggunakan pulsa yang lebih panjang, namun jendela proses secara signifikan lebih sempit dalam kasus pulsa femtosecond. Dalam percobaan yang menggunakan serbuk halus, ditemukan juga batas bawah dimana serbuk tidak terpengaruh. Dalam hal ini, hasil serupa dengan yang diamati pada Gambar 4-d) diamati ketika daya berada di bawah 0,5 W. Ketika daya meningkat di atas nilai ini, bubuk mulai meleleh, dan partikel-partikel berkumpul membentuk bola yang lebih besar.
Pertama, daya laser disesuaikan dengan batas bawah proses jendela, menggunakan nilai daya 0,68W dan 0,765W. Kemudian, kecepatan pemindaian dikurangi dari 5mm/s ke nilai serendah mungkin. Untuk pengujian pertama, kami menggunakan 0,68W. Ketika jumlah pulsa per satuan luas meningkat, akumulasi panas meningkat, serbuk logam mulai meleleh, partikel-partikel saling menempel, dan membentuk partikel yang lebih besar melalui aglomerasi.
Pada Gambar 6, ketika kecepatan pemindaian dikurangi menjadi setengah dari nilai aslinya, kita dapat mengamati peningkatan ukuran partikel, yang mengakibatkan pembentukan aglomerat bubuk yang lebih besar di area proses. Peningkatan ukuran ini menyebabkan Sa meningkat dari 5,43µm menjadi 6,75µm. Sebaliknya, pada percobaan yang dilakukan pada 0,765W, penurunan kecepatan pemindaian menghasilkan sedikit penurunan Sa dari 6,89µm. Pada kedua tingkat daya, mengurangi kecepatan pemindaian memberikan hasil yang lebih baik, mengurangi nilai Sa menjadi 3,9–4,1µm. Hal ini karena seiring dengan menurunnya kecepatan, aglomerat cenderung menyatu menjadi satu lapisan, sehingga menghasilkan struktur yang lebih seragam.
