01
Úvod do práce
Smerované nanášanie energie (DED)-tiež známe ako laserové plátovanie-je aditívna výrobná technika, ktorá využíva vysokovýkonný-laser v kombinácii so systémom koaxiálneho podávania prášku na výrobu kovových komponentov vrstvu po vrstve. Na rozdiel od tradičných procesov odlievania a obrábania sa mechanické vlastnosti nanesených vrstiev v DED môžu výrazne líšiť v dôsledku neustáleho kolísania parametrov spracovania-ako je výška vrstvy, rýchlosť skenovania a výkon lasera-počas výrobného procesu. Napriek početným pokrokom dosiahnutým v technológii DED je výskum *-in situ* hodnotenia mechanických vlastností-ako Youngov modul a Poissonov pomer-počas spracovania stále obmedzený; preto je mimoriadne dôležité monitorovanie *{10}}in situ* a zabezpečenie kvality.
02
**Prehľad štúdie**
Táto štúdia vyvíja bez{0}}kontaktnú in{1}}techniku na hodnotenie mechanických vlastností materiálov spracovaných metódou usmernenej energetickej depozície (DED). Táto inovatívna technika integruje femtosekundový laserový ultrazvuk s laserovým leštením, aby umožnila úplne bez{3}}kontaktné a nedeštruktívne{4}}hodnotenie Youngovho modulu a Poissonovho pomeru. Využitím ultrazvukových vĺn generovaných femtosekundovým laserom- vo frekvenčnom rozsahu GHz až THz systém dosahuje sub-mikrónové priestorové rozlíšenie, čím uľahčuje-kvalitné hodnotenie-po-vrstve. Na riešenie problému detekcie ultrazvukových signálov uprostred drsnosti povrchu, ktorá je vlastná naneseným vrstvám, výskumný tím použil -laserové leštenie na mieste{13}}namiesto tradičného mechanického leštenia-, ktoré výrazne zlepšilo detekovateľnosť ultrazvukových vĺn. Skúšky uskutočnené za rôznych podmienok spracovania DED ukázali, že mechanické vlastnosti hodnotené touto technikou vykazujú vysoký stupeň konzistentnosti s výsledkami získanými z nezávislých ťahových skúšok vykonaných po dokončení výrobného procesu.
03
**Ilustrovaná analýza**
Obrázok 1 predstavuje schematický prehľad celkového pracovného postupu pre techniku hodnotenia mechanických vlastností in situ v rámci procesu DED. Jasne ilustruje základný postup-začínajúci od substrátu-, ktorý postupne dokončuje odhad Youngovho modulu a Poissonovho pomeru nanesenej vrstvy prostredníctvom štyroch odlišných krokov: Krok 1 využíva DED laser na vykonanie procesu DED, tavenie a nanášanie kovového prášku na vytvorenie vrstvy DED s hrubým povrchom a hrúbkou približne 100 μm; Krok 2 znovu používa leštiaci laser (môže to byť rovnaké zariadenie ako laser DED) na laserové leštenie; pretavením tento proces vytvorí hladkú pretavenú vrstvu na povrchu naneseného materiálu, čím sa aritmetický priemer drsnosti zníži na približne 0,3 μm; Krok 3 využíva femtosekundový laser na vybudenie a meranie ultrazvukových vĺn v rámci frekvenčného rozsahu GHz – THz v stuhnutej oblasti po leštení; Krok 4 odhaduje Youngov modul a Poissonov pomer na základe nameraných ultrazvukových signálov v spojení so vzťahmi napätia{12}}deformácie. Diagram obsahuje aj zodpovedajúce anotácie zvýrazňujúce kľúčové laserové vybavenie a morfologické zmeny povrchu spojené s každým krokom, čím poskytuje vizuálnu ukážku úplne bez{14}}kontaktných a nedeštruktívnych charakteristík techniky v rámci celého pracovného postupu „depozícia – leštenie – detekcia – odhad“.
Obrázok 2 predstavuje komplexnú porovnávaciu analýzu skúmajúcu vplyv laserového leštenia na drsnosť povrchu kovových vrstiev DED. Analýza pozostáva z troch čiastkových čísel-(a), (b) a (c)-naprieč tromi dimenziami: kvantitatívne parametre, makroskopická morfológia a mikroskopická topografia, s ústredným zameraním na optimálny súbor parametrov leštenia identifikovaných pre vzorku I-11. Podobrázok (a) zobrazuje kvantitatívnu tabuľku hodnôt drsnosti povrchu zodpovedajúcich 16 rôznym kombináciám parametrov leštenia, s rozsahom leštiacich výkonov 200–350 W a rýchlosti leštenia 13–21 mm/s. Táto tabuľka uvádza skutočné hodnoty Ra namerané po vyleštení 16 jednovrstvových stôp na vzorke I, pričom jasne identifikuje kombináciu 300 W + 18 mm/s ako optimálnu sadu parametrov (I-11, Ra=0.31 μm); okrem toho upozorňuje na problémy súvisiace s inými rozsahmi parametrov,{19}}konkrétne s vyššími hodnotami drsnosti vyplývajúcimi z kombinácií nízkeho-výkonu, vysokej-rýchlosti a tendenciou kombinácií vysokého-výkonu a nízkej-rýchlosti vyvolávať zvlnenie povrchu v dôsledku odparovania prášku. Podobrázok (b) predstavuje detailné makroskopické porovnanie vzorky I-11 pred a po leštení s optimálnymi parametrami, čo vizuálne preukazuje výrazné zlepšenie rovinnosti a rovnomernosti povrchu po procese leštenia. Podobrázok (c) poskytuje porovnávací pohľad na snímky z optického mikroskopu (v konzistentnej mierke 40 μm), ktoré ukazujú vzorku I-11 po optimálnom leštení (vľavo) oproti jej neleštenému stavu (vpravo); neleštený povrch sa vyznačuje množstvom nespečených práškových častíc, výraznými nerovnosťami a tmavším vzhľadom, ktorý je výsledkom rozptylu svetla, zatiaľ čo leštený povrch je prakticky bez nezataveného prášku, zdá sa plochý a hladký a vykazuje rovnomerný odraz svetla. Nakoniec táto optimálna sada parametrov znížila drsnosť povrchu z počiatočnej hodnoty 4,2 μm na 0,31 μm – miera zlepšenia 93 %. Prostredníctvom tohto trojstranného porovnania, ktoré zahŕňa kvantitatívne údaje, makroskopickú morfológiu a mikroskopickú topografiu, obrázok efektívne potvrdzuje účinnosť laserového leštenia pri znižovaní drsnosti povrchu kovových vrstiev DED pri súčasnom stanovení optimálnych parametrov procesu pre laserové leštenie.
