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Femtosecond laser ablation of zirconia-based ceramic materials: From ablation mechanism to modelling of large-scale processing

材料科学 激光烧蚀 烧蚀 立方氧化锆 陶瓷 飞秒 机制(生物学) 激光器 比例(比率) 复合材料 光电子学 光学 工程类 航空航天工程 哲学 物理 认识论 量子力学
作者
Artem Bogatyrev,Zhirong Liao,Dragoş Axinte,Andy Norton
出处
期刊:Journal of Materials Processing Technology [Elsevier BV]
卷期号:335: 118668-118668 被引量:14
标识
DOI:10.1016/j.jmatprotec.2024.118668
摘要

Femtosecond laser ablation can offer a promising solution for precise and efficient processing of zirconia-based ceramics taking advantage of ultrafast photon-material interaction. However, due to the nonlinear nature of the process, the selection of the laser parameters in 3D processing is complicated, often leading to reduced efficiency or low material integrity. Here, we address this problem through static (D2) and dynamic (grooving) testing, establishing a comprehensive understanding of the femtosecond ablation behaviour of zirconia on micro- and macro- scales. The ablation threshold of zirconia shows a significant dependence not only on the irradiation history but also on the material temperature. While the processing efficiency can be increased, a critical interpulse duration or a high heat input can facilitate a melting regime, negating the advantages of pulsed laser ablation. Morphological evolution of the surface impacts the ablation behaviour further affecting the process efficiency. Additionally, zirconia semitransparency leads to the formation of nanopores compromising residual material integrity. Based on the analysis of these elementary ablation events, we built an ultrafast computational model, simulating the surface evolution during femtosecond laser ablation with various beam-surface kinematics. Validating the model on a 3D dental crown surface underscores its potential for computer aided design-manufacturing frameworks given its efficiency. • The ablation testing revealed micro- and macro heat accumulation effects in zirconia. • Upon the critical interpulse period the ablation mechanism shifts to severe melting. • Nanoporosity due to intergranular ablation in zirconia is linked to laser parameters. • The ultrafast computational femtosecond ablation model is introduced and validated.
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