01
Úvod do práce
Directed Energy Deposition (DED)-také známé jako laserové obložení-je aditivní výrobní technika, která využívá vysoce-laser v kombinaci s koaxiálním systémem podávání prášku k výrobě kovových součástí vrstvu po vrstvě. Na rozdíl od tradičních procesů odlévání a obrábění se mechanické vlastnosti nanesených vrstev v DED mohou výrazně lišit v důsledku neustálého kolísání parametrů zpracování-, jako je výška vrstvy, rychlost skenování a výkon laseru- během výrobního procesu. Navzdory četným pokrokům dosaženým v technologii DED zůstává výzkum *-in situ* hodnocení mechanických vlastností-jako je Youngův modul a Poissonův poměr-při zpracování vzácný; díky tomu je monitorování *{10}}in situ* a zajištění kvality obzvláště důležité.
02
**Přehled studie**
Tato studie vyvíjí bez{0}}kontaktní, in situ techniku pro hodnocení mechanických vlastností materiálů zpracovaných metodou řízené energetické depozice (DED). Tato inovativní technika integruje ultrazvuk femtosekundového laseru s laserovým leštěním, což umožňuje zcela bez{3}}kontaktní a nedestruktivní hodnocení Youngova modulu a Poissonova poměru. Využitím ultrazvukových vln generovaných femtosekundovým laserem-ve frekvenčním rozsahu GHz až THz systém dosahuje sub-mikrometrového prostorového rozlišení, čímž umožňuje vysoce-kvalitní vyhodnocování-po-vrstvě. Aby se výzkumný tým vypořádal s problémem detekce ultrazvukových signálů uprostřed drsnosti povrchu, která je vlastní naneseným vrstvám, použil -laserové leštění na místě{13}}namísto tradičního mechanického leštění-, které výrazně zlepšilo detekovatelnost ultrazvukových vln. Testy provedené za různých podmínek zpracování DED prokázaly, že mechanické vlastnosti hodnocené touto technikou vykazují vysoký stupeň konzistence s výsledky získanými z nezávislých tahových zkoušek provedených po dokončení výrobního procesu.
03
**Ilustrovaná analýza**
Obrázek 1 představuje schematický přehled celkového pracovního postupu pro techniku hodnocení mechanických vlastností in situ v rámci procesu DED. Jasně ilustruje základní postup-začínající od substrátu-, který postupně dokončuje odhad Youngova modulu a Poissonova poměru nanesené vrstvy ve čtyřech různých krocích: Krok 1 využívá DED laser k provedení DED procesu, tavení a nanášení kovového prášku k vytvoření vrstvy DED s hrubým povrchem a tloušťkou přibližně 100 μ Krok 2 znovu používá leštící laser (což může být stejné zařízení jako laser DED) k laserovému leštění; přetavením tento proces vytvoří hladkou přetavenou vrstvu na povrchu naneseného materiálu, čímž se aritmetický průměr drsnosti sníží na přibližně 0,3 μm; Krok 3 využívá femtosekundový laser k buzení a měření ultrazvukových vln v rámci frekvenčního rozsahu GHz–THz v rámci ztuhlé oblasti po leštění; Krok 4 odhaduje Youngův modul a Poissonův poměr na základě naměřených ultrazvukových signálů ve spojení se vztahy napětí-deformace. Diagram také obsahuje odpovídající anotace zvýrazňující klíčové laserové vybavení a povrchové morfologické změny spojené s každým krokem, čímž poskytuje vizuální ukázku zcela bez-kontaktních a{15}}destruktivních charakteristik této techniky v celém jejím pracovním postupu „depozice – leštění – detekce – odhad“.
Obrázek 2 představuje komplexní srovnávací analýzu zkoumající vliv laserového leštění na drsnost povrchu kovových vrstev DED. Analýza se skládá ze tří podfigur-(a), (b) a (c)-ve třech dimenzích: kvantitativní parametry, makroskopická morfologie a mikroskopická topografie, s ústředním zaměřením na optimální sadu parametrů leštění identifikovaných pro vzorek I-11. Podobrázek (a) zobrazuje kvantitativní tabulku hodnot drsnosti povrchu odpovídající 16 různým kombinacím parametrů leštění, s rozsahem leštících výkonů 200–350 W a rychlostmi leštění 13–21 mm/s. Tato tabulka uvádí skutečné hodnoty Ra naměřené po vyleštění 16 jednovrstvých stop na vzorku I, jasně identifikující kombinaci 300 W + 18 mm/s jako optimální sadu parametrů (I-11, Ra=0.31 μm); dále upozorňuje na problémy související s jinými rozsahy parametrů,{19}}konkrétně na vyšší hodnoty drsnosti vyplývající z kombinací nízkého-výkonu, vysoké-rychlosti a tendenci kombinace vysokého-výkonu a nízké-rychlosti způsobovat zvlnění povrchu v důsledku odpařování prášku. Podobrázek (b) představuje detailní makroskopické srovnání vzorku I-11 před a po leštění s optimálními parametry, což vizuálně prokazuje významné zlepšení rovinnosti a jednotnosti povrchu po procesu leštění. Podobrázek (c) poskytuje srovnávací pohled na snímky z optického mikroskopu (v konzistentním měřítku 40 μm) ukazující vzorek I-11 po optimálním leštění (vlevo) oproti jeho neleštěnému stavu (vpravo); neleštěný povrch se vyznačuje množstvím nestavených částic prášku, výraznými nerovnostmi a tmavším vzhledem, který je důsledkem rozptylu světla, zatímco leštěný povrch prakticky neobsahuje nestavený prášek, zdá se plochý a hladký a vykazuje rovnoměrný odraz světla. Nakonec tato optimální sada parametrů snížila drsnost povrchu z počáteční hodnoty 4,2 μm na 0,31 μm – míra zlepšení o 93 %. Prostřednictvím tohoto trojstranného srovnání zahrnujícího kvantitativní data, makroskopickou morfologii a mikroskopickou topografii, obrázek účinně ověřuje účinnost laserového leštění při snižování drsnosti povrchu kovových vrstev DED při současném stanovení optimálních procesních parametrů pro laserové leštění.
