التلميع بالليزر

تُعرّف الأدبيات منطقة SSM بأنها تتشكل نتيجةً للسلوك الديناميكي للمعدن السائل عالي الحرارة، والذي يُدفع إلى النتوءات الدقيقة، ما يؤدي في الأساس إلى ملء الفجوات الموجودة على السطح. عادةً ما يكون عمق المادة المنصهرة أقل من المسافة بين القمة والقاع، والتي يمكن أن تتأثر بمعايير الليزر. ^{[ 3 ]} تُظهر صورة المجهر الإلكتروني الماسح المذكورة سطحًا مصقولًا بالليزر بوضوح دون ظهور آثار جانبية كبيرة على المادة المحيطة، ويمكن استخدامها كمرجع لفهم آلية SSM.

يؤدي رفع كثافة طاقة شعاع الليزر بعد مستوى معين إلى تغيير سلوك حوض الانصهار، أو المادة المنصهرة. ومع الزيادة التدريجية في سُمك حوض الانصهار، سيتجاوز المسافة بين القمة والقاع (أو ارتفاع النتوءات)، مما يحوّل سطح المعدن بأكمله إلى حوض انصهار. وتتسبب الكثافات العالية لليزر في سحب المادة المنصهرة بعيدًا عن جبهة التصلب، مما يُشكّل تموجات على سطح المعدن. ^{[ 4 ]}

وبالتالي، فإن التلميع بالليزر باستخدام هذه الآلية يتطلب دراسة مكثفة لتأثير معلمات الليزر لتقليل التموج على السطح المصقول النهائي.

يُظهر السطح المصقول بالليزر تحسناً ملحوظاً في متوسط ​​خشونة سطح المادة المشغولة. يُعزى ذلك إلى التوزيع المنتظم لحوض الانصهار أثناء التصلب السريع، نتيجةً لضغط الليزر والجاذبية والتوتر السطحي. تُقسم الطبقة المعالجة إلى ثلاث مناطق رئيسية: الطبقة المُعاد صهرها، والمنطقة المتأثرة بالحرارة، ومادة قطعة العمل الأصلية. تتميز الطبقة المُعاد صهرها، شبه المتجانسة، بحبيبات أدق مقارنةً ببقية المادة بسبب معدل التبريد العالي. يُمكن تفسير هذا الانخفاض في الحجم عن الحجم الأصلي كنتيجة لتثبيت حدود الحبيبات بسبب وجود رواسب موجودة مسبقاً أو رواسب جديدة في المادة المنصهرة. ^{[ 5 ]} قد تنبثق الرواسب الجديدة من مصفوفة المادة أو قد تكون ناتجة عن البيئة المحيطة.

عند النزول إلى أسفل المادة، توجد المنطقة المتأثرة بالحرارة، والتي لا تتعرض لشعاع الليزر، ولكنها تتأثر ببركة الانصهار المتكونة على السطح. تكون أحجام الحبيبات أكبر من طبقة السطح المعاد صهرها، ولكنها ليست كبيرة بحجم الحبيبات الأصلية الموجودة عند النزول إلى أسفل المادة (عادةً في القطع المصنعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد).

يُظهر السطح المصقول زيادةً ملحوظةً في مقاومة الشد ، لكن الاستطالة الكلية (حتى الكسر) تنخفض. كمثال، لنأخذ مركبًا من البوليمر والمعدن مع ألياف الألومنيوم وPLA كمادة أساسية. ^{[ 6 ]} تُظهر الدراسة المذكورة زيادةً في مقاومة الشد من 41.01 ميجا باسكال إلى 50.47 ميجا باسكال مع انخفاض في الاستطالة القصوى من 60.6% إلى 33.2%. يُعزى ذلك إلى زيادة الكثافة وتحسين التماسك بين المادة الأساسية ومكونات الألياف. وبالتالي، تكون النتيجة زيادة في الصلابة وانخفاض في مطيلية المادة عند السطح المصقول.

في هذه الحالة تحديدًا، تم تصنيع قطعة العمل باستخدام تقنية الترسيب المنصهر (FDM)، وهي إحدى طرق التصنيع بالإضافة . عادةً ما تحتوي جميع المكونات المصنعة بالإضافة على عيوب في بنيتها الأساسية، مثل المسامية الغازية، والفجوات بين الطبقات المترسبة، وعدم انتظام ترقيق الطبقات، وضعف الالتصاق بينها. لكل من هذه العيوب أسباب تكوّن مترابطة أو غير مترابطة، يمكن دراستها بتفصيل أكبر، ولكنها خارج نطاق هذا الملخص. تُصبح هذه العيوب مصادر الفشل أو منشأ التلف ^{[ 6 ]} الذي يحدث في المادة المركبة. بفضل التلميع بالليزر، يتغير سلوك فشل المادة المركبة نتيجةً للسلوك المرن اللدن المشترك للألياف المصقولة حديثًا والمادة الأساسية على سطح قطعة العمل. علاوة على ذلك، نظرًا لتدفق المادة السطحية المنصهرة من القمم إلى الوديان غير المملوءة، تتم إزالة العديد من العيوب. يؤدي هذا أيضًا إلى إعادة ربط المادة الأساسية ببعضها البعض، وكذلك المادة الأساسية بالألياف، مما يُحسّن بشكل كبير من قوة الشد والخواص الميكانيكية الديناميكية من خلال إنشاء بنية أكثر كثافة.

يمكن تفسير ذلك رياضيا من خلال قاعدة الخلط ، بافتراض إجهاد ثابت للمصفوفة والمركب الليفي المستمر وتقييم قوة الشد للمراحل المختلفة الموجودة في منحنى الإجهاد والانفعال المركب ^{[ 7 ].}

ومن التحسينات الأخرى التي يمكن ملاحظتها على السطح المصقول زيادة الصلابة الدقيقة ومقاومة التآكل ومقاومة الصدأ.

تختلف آلية الكسر اختلافًا كبيرًا باختلاف المادة المصقولة، سواء كانت معادن نقية، أو لا فلزات، أو سبائك، أو بوليمرات، أو سيراميك، أو مواد صلبة غير متبلورة، أو مركبات. وتُظهر جميعها مقاومة محسّنة للكسر بعد الصقل بالليزر، وذلك نتيجةً لانخفاض العيوب وزيادة مقاومة انتشار الشقوق. مع ذلك، لا يُعدّ هذا الأداء عامًا، إذ يتأثر أيضًا بوجود عيوب داخل المادة غير المتأثرة.

يمكن قياس تحسن سلوك الكسر من خلال تحديد عامل شدة الإجهاد الحرج (${\displaystyle K_{c}}$نظريًا، تُحقق هذه القيمة عندما يكون الإجهاد الاسمي المُطبق مساويًا لإجهاد انتشار الشق، ويتم حسابها مع الأخذ في الاعتبار معايير غريفيث. تُعطى المعادلة النهائية المُشتقة لحالة الإجهاد المستوي بالجذر التربيعي لحاصل ضرب صلابة المادة (${\displaystyle E}$) وصلابة المادة (${\displaystyle G_{c}}$). ^{[ 7 ]} كما هو واضح، مع زيادة صلابة المادة، فإن السطح المصقول لا بد أن يتمتع بصلابة متزايدة.

تكشف دراسة أكثر تعمقاً عن دور عوامل أخرى غير صلابة المادة في زيادة مقاومة الكسر للمادة المعالجة بالليزر. وقد وصفت مصادر متعددة تأثير التصلب الإجهادي (الضغط الناتج عن حركة الانخلاعات عند درجات حرارة مرتفعة) والتحول الطوري داخل المادة.

لنأخذ مثالاً آخر على دراسة حالة لسيراميك هندسي من نتريد السيليكون . ^{[ 8 ]} توثق نتائج هذه الدراسة التغير في صلابة السطح، وطول الشقوق السطحية، والسطح${\displaystyle K_{1}c}$(الوضع-1)${\displaystyle K_{c}}$) باستخدام تقنية (تقنيات) اختبار فيكرز. زيادة في صلابة السطح و${\displaystyle K_{1}c}$يمكن ربط هذا العامل بالإجهاد الانضغاطي المتبقي الناتج عن حركة الانخلاعات عند درجات الحرارة المرتفعة أثناء عملية التلميع بالليزر. تعمل هذه الإجهادات الانضغاطية في مواجهة الشد الخارجي، مما يستلزم وجود قيمة عتبة معينة بالإضافة إلى إجهاد الكسر (أو إجهاد انتشار الشقوق) للتغلب تمامًا على الإجهادات المعاكسة قبل بدء التصدع. ومن الملاحظات الأخرى انخفاض طول الشق بنسبة 37% في المادة المصقولة بالليزر.${\displaystyle {\ce {Si3N4}}}$والتباين المستحث، والذي تمت مناقشته بشكل أكبر في المرجع المذكور. ^{[ 8 ]}