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論文紹介
指向性エネルギー蒸着 (DED){0}}レーザー クラッディングとも呼ばれる-は、高出力レーザーと同軸粉末供給システムを組み合わせて金属コンポーネントを層ごとに製造する積層造形技術です。-従来の鋳造や機械加工のプロセスとは異なり、DED での堆積層の機械的特性は、製造プロセス中の層の高さ、スキャン速度、レーザー出力などの処理パラメータ-の継続的な変動により大きく変化する可能性があります-。 DED 技術では数多くの進歩が達成されているにもかかわらず、加工中のヤング率やポアソン比などの機械的特性の*その場* 評価-に関する研究は依然として不足しています。{{9}これにより、*現場*モニタリングと品質保証が特に重要になります。{10}
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**研究の概要**
この研究では、指向性エネルギー堆積 (DED) 法によって処理された材料の機械的特性を評価するための、非接触のその場技術を開発します。{{0}{1}この革新的な技術は、フェムト秒レーザー超音波とレーザー研磨を統合し、完全に非接触かつ非破壊でヤング率とポアソン比の評価を可能にします。-フェムト秒レーザー-で生成された GHz から THz の周波数範囲の超音波を利用することで、システムはサブ-ミクロンの空間分解能を達成し、それによって高品質のレイヤーごとの評価が容易になります。-堆積層に特有の表面粗さの中で超音波信号を検出するという課題に対処するために、研究チームは従来の機械研磨ではなく、-その場レーザー研磨-を採用しました。これにより、超音波の検出可能性が大幅に向上しました。さまざまな DED 加工条件下で実施されたテストにより、この技術によって評価された機械的特性が、製造プロセスの完了後に実施された独立した引張試験から得られた結果と高度な一貫性を示すことが実証されました。
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**図解による分析**
図 1 は、DED プロセスにおける現場での機械的特性評価手法の全体的なワークフローの概要を示しています。-これは、-基板から始まり-、4 つの異なるステップを通じて堆積層のヤング率とポアソン比の推定を順次完了する中心的な手順を明確に示しています。ステップ 1 では、DED レーザーを使用して DED プロセスを実行し、金属粉末を溶融および堆積して、粗い表面と厚さ約 100 μm の DED 層を形成します。ステップ 2:-研磨レーザー (DED レーザーと同じデバイスである場合もあります) を再利用してレーザー研磨を実行します。このプロセスでは、再溶解により、蒸着材料の表面に滑らかな再溶解層が形成され、算術平均粗さが約 0.3 μm に減少します。ステップ 3 では、フェムト秒レーザーを使用して、研磨後の固化領域内の GHz ～ THz 周波数範囲内の超音波を励起して測定します。ステップ 4 では、応力-ひずみの関係と併せて、測定された超音波信号に基づいてヤング率とポアソン比を推定します。この図には、主要なレーザー機器と各ステップに関連する表面形態変化を強調する対応する注釈も記載されており、これにより、「堆積、研磨、検出、推定」ワークフロー全体にわたるこの技術の完全に非接触かつ非破壊的な特性を視覚的に示しています。-
図 2 は、DED 金属層の表面粗さに対するレーザー研磨の影響を調査する包括的な比較分析を示しています。 3 つの部分図で構成されます-(a)、(b)、(c)-分析は、試料 I に対して特定された最適な研磨パラメータのセットに重点を置いて、定量的パラメータ、巨視的形態、微視的トポグラフィーの 3 つの次元にわたって実行されます-11。サブ図 (a) は、研磨力 200 ～ 350 W、研磨速度 13 ～ 21 mm/s にわたる 16 の異なる研磨パラメータの組み合わせに対応する表面粗さ値の定量的な表を示しています。この表は、試験片 I の 16 個の単層トラックを研磨した後に測定された実際の Ra 値に注釈を付けており、300 W + 18 mm/s の組み合わせが最適なパラメータ セット (I-11、Ra=0.31 μm) であることを明確に示しています。さらに、他のパラメータ範囲に関連する問題も浮き彫りにしています。{{19}具体的には、低{20}}高速-の組み合わせから生じる高い粗さ値と、高-}低-速度の組み合わせが粉末の蒸発による表面のうねりを誘発する傾向です。サブ図 (b) は、最適なパラメータで研磨する前後の試料 I-11 の拡大巨視的比較を示し、研磨プロセス後の表面の平坦性と均一性が大幅に向上していることを視覚的に示しています。サブ図 (c) は、最適な研磨後の試料 I-11 (左) と研磨されていない状態 (右) を示す光学顕微鏡画像 (40 μm の一貫したスケール) の比較図を提供します。未研磨の表面は、未溶融の粉末粒子が豊富に存在し、大きな凹凸があり、光の散乱によって暗くなるという特徴がありますが、研磨された表面には未溶融の粉末がほとんどなく、平らで滑らかに見え、均一な光の反射が見られます。最終的に、この最適なパラメータセットにより、表面粗さは初期値の 4.2 μm から 0.31 μm まで減少し、改善率は 93% となりました。この図は、定量的データ、巨視的形態、および微視的トポグラフィーを含むこの 3 つの要素の比較を通じて、DED 金属層の表面粗さを低減する際のレーザー研磨の有効性を効果的に検証すると同時に、レーザー研磨の最適なプロセス パラメーターを確立します。
