01
Wprowadzenie do papieru
Ukierunkowane osadzanie energii (DED)-znane również jako napawanie laserowe-to technika wytwarzania przyrostowego, która wykorzystuje-laser o dużej mocy w połączeniu z współosiowym systemem podawania proszku do wytwarzania elementów metalowych warstwa po warstwie. W przeciwieństwie do tradycyjnych procesów odlewania i obróbki mechanicznej właściwości mechaniczne warstw osadzonych w DED mogą się znacznie różnić ze względu na ciągłe wahania parametrów przetwarzania,-takich jak wysokość warstwy, prędkość skanowania i moc lasera-podczas procesu produkcyjnego. Pomimo licznych postępów osiągniętych w technologii DED, badania nad oceną *in-in situ* właściwości mechanicznych-takich jak moduł Younga i współczynnik Poissona-podczas przetwarzania są nadal nieliczne; sprawia to, że monitorowanie *in-situ* i zapewnianie jakości jest szczególnie istotne.
02
**Przegląd badania**
W tym badaniu opracowano bezkontaktową-technikę in situ-oceniającą właściwości mechaniczne materiałów przetwarzanych metodą ukierunkowanego osadzania energii (DED). Ta innowacyjna technika łączy ultradźwięki lasera femtosekundowego z polerowaniem laserowym, aby umożliwić całkowicie bezdotykową i nie-niszczącą ocenę modułu Younga i współczynnika Poissona. Wykorzystując fale ultradźwiękowe generowane-laserem femtosekundowym w zakresie częstotliwości od GHz do THz, system osiąga rozdzielczość przestrzenną poniżej-mikronów, ułatwiając w ten sposób wysoką-jakość-warstwę-. Aby stawić czoła wyzwaniu polegającemu na wykrywaniu sygnałów ultradźwiękowych wśród chropowatości powierzchni właściwej osadzanym warstwom, zespół badawczy zastosował-polerowanie laserowe na miejscu-zamiast tradycyjnego polerowania mechanicznego-, co znacznie poprawiło wykrywalność fal ultradźwiękowych. Badania przeprowadzone w różnych warunkach obróbki DED wykazały, że właściwości mechaniczne oceniane tą techniką wykazują wysoki stopień zgodności z wynikami uzyskanymi z niezależnych testów rozciągania przeprowadzonych po zakończeniu procesu wytwarzania.
03
**Ilustrowana analiza**
Rysunek 1 przedstawia schematyczny przegląd ogólnego przepływu pracy dla techniki oceny właściwości mechanicznych-in situ w procesie DED. Wyraźnie ilustruje podstawową procedurę,-rozpoczynając od podłoża-, która sekwencyjnie kończy szacowanie modułu Younga i współczynnika Poissona osadzonej warstwy w czterech odrębnych etapach: Krok 1 wykorzystuje laser DED do przeprowadzenia procesu DED, stapiania i osadzania proszku metalicznego w celu utworzenia warstwy DED o chropowatej powierzchni i grubości około 100 μm; Krok 2-wykorzystuje laser polerujący (który może być tym samym urządzeniem co laser DED) do przeprowadzenia polerowania laserowego; poprzez przetapianie, proces ten tworzy na powierzchni napawanego materiału gładką warstwę przetopu, zmniejszającą średnią arytmetyczną chropowatość do około 0,3 µm; W etapie 3 wykorzystuje się laser femtosekundowy do wzbudzania i pomiaru fal ultradźwiękowych w zakresie częstotliwości GHz – THz w obszarze zestalonym po polerowaniu; W kroku 4 szacuje się moduł Younga i współczynnik Poissona na podstawie zmierzonych sygnałów ultradźwiękowych w połączeniu z zależnościami naprężenia-odkształcenia. Diagram zawiera także odpowiednie adnotacje podkreślające kluczowe urządzenia laserowe i zmiany morfologiczne powierzchni związane z każdym etapem, zapewniając w ten sposób wizualną demonstrację całkowicie bezkontaktowych i nieniszczących właściwości tej techniki w całym procesie „nakładanie – polerowanie – wykrywanie – szacowanie”.
Na rysunku 2 przedstawiono kompleksową analizę porównawczą wpływu polerowania laserowego na chropowatość powierzchni warstw metali DED. Analiza składa się z trzech podfigurów-(a), (b) i (c)-. Analiza jest prowadzona w trzech wymiarach: parametry ilościowe, morfologia makroskopowa i topografia mikroskopowa, ze szczególnym naciskiem na optymalny zestaw parametrów polerowania zidentyfikowanych dla próbki I-11. Podfigura (a) przedstawia tabelę ilościową wartości chropowatości powierzchni odpowiadających 16 różnym kombinacjom parametrów polerowania, obejmujących moc polerowania 200–350 W i prędkość polerowania 13–21 mm/s. W tabeli tej przedstawiono rzeczywiste wartości Ra zmierzone po polerowaniu 16 jednowarstwowych-ścieżek na próbce I, wyraźnie identyfikując kombinację 300 W + 18 mm/s jako optymalny zestaw parametrów (I-11, Ra=0.31 μm); ponadto podkreśla problemy związane z innymi zakresami parametrów,-w szczególności z wyższymi wartościami chropowatości wynikającymi z kombinacji niskiej-mocy i{21}}wysokiej prędkości oraz tendencji kombinacji dużej-mocy i niskiej-prędkości do wywoływania falistości powierzchni w wyniku parowania proszku. Podfigura (b) przedstawia makroskopowe porównanie próbki I-11 z bliska przed i po polerowaniu przy optymalnych parametrach, wizualnie wykazując znaczną poprawę płaskości i jednorodności powierzchni po procesie polerowania. Podfigura (c) przedstawia porównanie obrazów z mikroskopu optycznego (w stałej skali 40 μm) przedstawiających próbkę I-11 po optymalnym wypolerowaniu (po lewej) w porównaniu ze stanem niewypolerowanym (po prawej); Niepolerowana powierzchnia charakteryzuje się dużą ilością niestopionych cząstek proszku, znacznymi nierównościami i ciemniejszym wyglądem wynikającym z rozproszenia światła, podczas gdy wypolerowana powierzchnia jest praktycznie wolna od niestopionego proszku, wydaje się płaska i gładka oraz wykazuje równomierne odbicie światła. Ostatecznie ten optymalny zestaw parametrów zmniejszył chropowatość powierzchni z wartości początkowej 4,2 μm do 0,31 μm, co oznacza poprawę o 93%. Dzięki temu trójstronnemu porównaniu obejmującemu dane ilościowe, morfologię makroskopową i topografię mikroskopową, rysunek skutecznie potwierdza skuteczność polerowania laserowego w zmniejszaniu chropowatości powierzchni warstw metalu DED, jednocześnie ustalając optymalne parametry procesu polerowania laserowego.
