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Papiereinführung
Directed Energy Deposition (DED)-auch bekannt als Laserauftragschweißen-ist eine additive Fertigungstechnik, die einen Hochleistungslaser in Kombination mit einem koaxialen Pulverzuführungssystem verwendet, um Metallkomponenten Schicht für Schicht herzustellen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Gieß- und Bearbeitungsprozessen können die mechanischen Eigenschaften der abgeschiedenen Schichten bei DED aufgrund der kontinuierlichen Schwankung der Verarbeitungsparameter-wie Schichthöhe, Scangeschwindigkeit und Laserleistung-während des Herstellungsprozesses erheblich variieren. Trotz der zahlreichen Fortschritte, die in der DED-Technologie erzielt wurden, gibt es nach wie vor wenig Forschung zur *In-{7}}Bewertung mechanischer Eigenschaften-wie Young-Modul und Poisson-Zahl-während der Verarbeitung; Dies macht die *In-{10}}In-{10}}Überwachung und Qualitätssicherung besonders wichtig.
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**Studienübersicht**
Diese Studie entwickelt eine berührungslose In-situ-Technik zur Bewertung der mechanischen Eigenschaften von Materialien, die mit der Directed Energy Deposition (DED)-Methode verarbeitet werden. Diese innovative Technik integriert Femtosekundenlaser-Ultraschall mit Laserpolieren, um eine völlig berührungslose und zerstörungsfreie Bewertung des Elastizitätsmoduls und der Poissonzahl zu ermöglichen. Durch die Verwendung von Femtosekundenlaser-erzeugten Ultraschallwellen im GHz- bis THz-Frequenzbereich erreicht das System eine räumliche Auflösung von weniger als -Mikrometern und ermöglicht so eine qualitativ hochwertige, schichtweise--Bewertung. Um die Herausforderung der Erkennung von Ultraschallsignalen inmitten der Oberflächenrauheit abgeschiedener Schichten zu bewältigen, verwendete das Forschungsteam -In-situ-Laserpolieren-anstelle des herkömmlichen mechanischen Polierens-, was die Erkennbarkeit der Ultraschallwellen erheblich verbesserte. Unter verschiedenen DED-Verarbeitungsbedingungen durchgeführte Tests zeigten, dass die mit dieser Technik bewerteten mechanischen Eigenschaften ein hohes Maß an Übereinstimmung mit den Ergebnissen unabhängiger Zugtests aufweisen, die nach Abschluss des Herstellungsprozesses durchgeführt wurden.
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**Illustrierte Analyse**
Abbildung 1 zeigt einen schematischen Überblick über den gesamten Arbeitsablauf für die Technik zur In-situ-Bewertung mechanischer Eigenschaften im Rahmen des DED-Prozesses. Es veranschaulicht deutlich das Kernverfahren -beginnend mit dem Substrat-, das nacheinander die Schätzung des Elastizitätsmoduls und der Poisson-Zahl der abgeschiedenen Schicht durch vier verschiedene Schritte abschließt: Schritt 1 nutzt den DED-Laser, um den DED-Prozess auszuführen, wobei Metallpulver geschmolzen und abgeschieden wird, um eine DED-Schicht mit einer rauen Oberfläche und einer Dicke von etwa 100 μm zu bilden; Schritt 2 verwendet einen Polierlaser (der das gleiche Gerät wie der DED-Laser sein kann) zum Laserpolieren; durch Umschmelzen erzeugt dieser Prozess eine glatte umgeschmolzene Schicht auf der Oberfläche des abgeschiedenen Materials, wodurch die arithmetische mittlere Rauheit auf etwa 0,3 μm reduziert wird; Schritt 3 verwendet einen Femtosekundenlaser, um Ultraschallwellen im GHz-THz-Frequenzbereich innerhalb des verfestigten Bereichs nach dem Polieren anzuregen und zu messen; Schritt 4 schätzt den Elastizitätsmodul und das Poisson-Verhältnis basierend auf den gemessenen Ultraschallsignalen in Verbindung mit Spannungs-{12}}Dehnungsbeziehungen. Das Diagramm enthält auch entsprechende Anmerkungen, die die wichtigsten Lasergeräte und morphologischen Veränderungen der Oberfläche hervorheben, die mit jedem Schritt verbunden sind, und bietet so eine visuelle Demonstration der völlig berührungsfreien und nicht{15}}zerstörenden Eigenschaften der Technik über den gesamten Arbeitsablauf „Abscheidung – Polieren – Erkennung – Schätzung“.
Abbildung 2 zeigt eine umfassende Vergleichsanalyse, die den Einfluss des Laserpolierens auf die Oberflächenrauheit von DED-Metallschichten untersucht. Die Analyse besteht aus drei Unterfiguren-(a), (b) und (c)- und wird in drei Dimensionen durchgeführt: quantitative Parameter, makroskopische Morphologie und mikroskopische Topographie, wobei der Schwerpunkt auf dem optimalen Satz von Polierparametern liegt, die für Probe I-11 identifiziert wurden. Unterabbildung (a) zeigt eine quantitative Tabelle mit Oberflächenrauheitswerten, die 16 verschiedenen Polierparameterkombinationen entsprechen und Polierleistungen von 200–350 W und Poliergeschwindigkeiten von 13–21 mm/s umfassen. In dieser Tabelle sind die tatsächlichen Ra-Werte aufgeführt, die nach dem Polieren von 16 einschichtigen Spuren auf Probe I gemessen wurden, wobei die 300-W-+ 18-mm/s-Kombination eindeutig als optimaler Parametersatz identifiziert wird (I-11, Ra=0.31 μm); Darüber hinaus werden Probleme im Zusammenhang mit anderen Parameterbereichen hervorgehoben, insbesondere höhere Rauheitswerte aufgrund von Kombinationen aus niedriger Leistung und hoher Geschwindigkeit sowie die Tendenz, dass Kombinationen aus hoher Leistung und niedriger Geschwindigkeit Oberflächenwelligkeit aufgrund der Pulververdunstung hervorrufen. Teilabbildung (b) zeigt einen nahen makroskopischen Vergleich der Probe I-11 vor und nach dem Polieren mit den optimalen Parametern und zeigt visuell eine deutliche Verbesserung der Oberflächenebenheit und -gleichmäßigkeit nach dem Poliervorgang. Unterabbildung (c) bietet eine vergleichende Ansicht optischer Mikroskopbilder (im einheitlichen Maßstab von 40 μm), die Probe I-11 nach optimaler Politur (links) im Vergleich zu ihrem unpolierten Zustand (rechts) zeigt; Die unpolierte Oberfläche zeichnet sich durch eine Fülle von nicht geschmolzenen Pulverpartikeln, erhebliche Unebenheiten und ein dunkleres Erscheinungsbild aufgrund der Lichtstreuung aus, während die polierte Oberfläche praktisch frei von nicht geschmolzenem Pulver ist, flach und glatt erscheint und eine gleichmäßige Lichtreflexion aufweist. Letztlich reduzierte dieser optimale Parametersatz die Oberflächenrauheit von einem Ausgangswert von 4,2 μm auf 0,31 μm – eine Verbesserungsrate von 93 %. Durch diesen dreiteiligen Vergleich, der quantitative Daten, makroskopische Morphologie und mikroskopische Topographie umfasst, validiert die Abbildung effektiv die Wirksamkeit des Laserpolierens bei der Reduzierung der Oberflächenrauheit von DED-Metallschichten und ermittelt gleichzeitig die optimalen Prozessparameter für das Laserpolieren.
