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논문소개
지향성 에너지 증착(DED)-레이저 클래딩이라고도 함-은 고출력 레이저와 동축 분말 공급 시스템을 결합하여 금속 부품을 층별로 제작하는 적층 제조 기술입니다. 기존 주조 및 가공 공정과 달리 DED에서 증착된 레이어의 기계적 특성은 제조 공정 중 레이어 높이, 스캔 속도, 레이저 출력-과 같은 처리 매개변수-의 지속적인 변동으로 인해 크게 달라질 수 있습니다. DED 기술이 달성한 수많은 발전에도 불구하고, 가공 중 영률 및 푸아송 비-와 같은 기계적 특성의 *{7}}현장* 평가-에 대한 연구는 여전히 부족합니다. 이로 인해 *현장{10}}모니터링과 품질 보증이 특히 중요해졌습니다.
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**연구 개요**
이 연구에서는 DED(지향성 에너지 증착) 방법을 통해 가공된 재료의 기계적 특성을 평가하기 위한 비{0}}비접촉 현장 기술을 개발합니다. 이 혁신적인 기술은 펨토초 레이저 초음파와 레이저 연마를 통합하여 영률과 포아송비에 대한 완전한 비{3}}접촉 및 비{4}}평가를 가능하게 합니다. GHz ~ THz 주파수 범위에서 펨토초 레이저-생성 초음파를 활용함으로써 시스템은 서브-미크론 공간 분해능을 달성하여 고품질의-레이어별-평가를{10}}촉진합니다. 증착된 층에 내재된 표면 거칠기 속에서 초음파 신호를 감지하는 문제를 해결하기 위해 연구팀은 기존의 기계적 연마 대신-현장 레이저 연마-를 사용하여{14}}초음파의 감지 가능성을 크게 향상시켰습니다. 다양한 DED 가공 조건에서 수행된 테스트에서는 이 기술로 평가된 기계적 특성이 제조 공정이 완료된 후 수행된 독립적인 인장 테스트에서 얻은 결과와 높은 수준의 일관성을 나타냄을 보여주었습니다.
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**그림 분석**
그림 1은 DED 프로세스 내{1}}현장 기계적 특성 평가 기술의 전체 워크플로에 대한 개략적인 개요를 보여줍니다. 이는 네 가지 단계를 통해 증착된 층의 영률 및 포아송비 추정을 순차적으로 완료하는 -기판에서 시작하는- 핵심 절차를 명확하게 보여줍니다. 1단계에서는 DED 레이저를 사용하여 DED 프로세스를 실행하고 금속 분말을 융합 및 증착하여 표면이 거칠고 두께가 약 100μm인 DED 층을 형성합니다. 2단계에서는-레이저 연마를 수행하기 위해 연마 레이저(DED 레이저와 동일한 장치일 수 있음)를 다시 사용합니다. 재용해를 통해 이 공정은 증착된 재료의 표면에 매끄러운 재용해층을 생성하여 산술 평균 거칠기를 약 0.3μm로 줄입니다. 3단계에서는 펨토초 레이저를 사용하여 연마 후 응고된 영역 내 GHz-THz 주파수 범위 내의 초음파를 여기하고 측정합니다. 4단계에서는 응력{12}}변형 관계와 함께 측정된 초음파 신호를 기반으로 영률과 포아송 비를 추정합니다. 또한 이 다이어그램에는 각 단계와 관련된 주요 레이저 장비 및 표면 형태학적 변화를 강조하는 해당 주석이 포함되어 있어 전체 "증착-연마-감지-추정" 작업 흐름 전반에 걸쳐 기술의 완전 비{14}}비접촉 및 비-특성을 시각적으로 보여줍니다.
그림 2는 레이저 연마가 DED 금속층의 표면 거칠기에 미치는 영향을 조사한 포괄적인 비교 분석을 보여줍니다. 세 가지 하위 그림-(a), (b) 및 (c)-으로 구성된 분석은 세 가지 차원, 즉 정량적 매개변수, 거시적 형태 및 미시적 지형에 걸쳐 수행되며 표본 I-11에 대해 식별된 최적의 연마 매개변수 세트에 중점을 둡니다. 하위 그림 (a)는 200-350W의 연마력과 13-21mm/s의 연마 속도에 걸쳐 16개의 개별 연마 매개변수 조합에 해당하는 표면 거칠기 값의 정량적 표를 표시합니다. 이 표는 표본 I의 16개 단일- 레이어 트랙을 연마한 후 측정된 실제 Ra 값에 주석을 달아 300W + 18 mm/s 조합이 최적 매개변수 세트(I-11, Ra=0.31 μm)임을 명확하게 식별합니다. 또한 다른 매개변수 범위와 관련된 문제, 특히 저-전력, 고속-조합으로 인해 발생하는 더 높은 거칠기 값과 분말 증발로 인해 표면 파동을 유발하는 고전력, 저-조합 경향을 강조합니다. 하위 그림 (b)는 최적의 매개변수를 사용한 연마 전과 후의 표본 I-11의 근접 거시적 비교를 제시하며, 연마 공정 후 표면 평탄도와 균일성이 크게 향상되었음을 시각적으로 보여줍니다. 하위 그림 (c)는 최적 연마 후 표본 I-11(왼쪽)과 연마되지 않은 상태(오른쪽)를 보여주는 광학 현미경 이미지(40μm의 일관된 크기)의 비교 보기를 제공합니다. 연마되지 않은 표면은 융합되지 않은 분말 입자가 풍부하고 불균일하며 광 산란으로 인해 더 어두운 외관을 보이는 반면, 연마된 표면은 융합되지 않은 분말이 거의 없고 평평하고 매끄러우며 균일한 빛 반사를 나타냅니다. 궁극적으로 이 최적 매개변수 세트는 표면 거칠기를 초기 값 4.2μm에서 0.31μm로 줄여 93%의 개선율을 달성했습니다. 정량적 데이터, 거시적 형태 및 미세한 지형을 포괄하는 이 3자 비교를 통해 이 그림은 DED 금속층의 표면 거칠기를 줄이는 동시에 레이저 연마를 위한 최적의 공정 매개변수를 설정하는 레이저 연마의 효능을 효과적으로 검증합니다.
