01
מבוא נייר
השקעת אנרגיה מכוונת (DED)-הידועה גם בשם חיפוי לייזר-היא טכניקת ייצור תוספים המשתמשת בלייזר בעוצמה גבוהה-בשילוב עם מערכת הזנת אבקה קואקסיאלית לייצור רכיבי מתכת שכבה אחר שכבה. בניגוד לתהליכי יציקה ועיבוד שבבי מסורתיים, המאפיינים המכניים של השכבות המופקדות ב-DED יכולות להשתנות באופן משמעותי עקב תנודה מתמשכת של פרמטרי עיבוד-כגון גובה שכבה, מהירות סריקה וכוח לייזר-במהלך תהליך הייצור. למרות ההתקדמות המרובה שהושגה בטכנולוגיית DED, מחקר על הערכת *in-situ* של תכונות מכניות-כגון המודולוס של Young ויחס Poisson-במהלך העיבוד נותר נדיר; זה הופך את הניטור והבטחת האיכות *ב{10}}מקום* לקריטיים במיוחד.
02
**סקירת מחקר**
מחקר זה מפתח טכניקה ללא-מגע,- באתר להערכת התכונות המכניות של חומרים המעובדים באמצעות שיטת השקעת אנרגיה מכוונת (DED). טכניקה חדשנית זו משלבת אולטרסאונד של לייזר פמט-שנייה עם ליטוש לייזר כדי לאפשר הערכה ללא-מגע וללא{4}}הרס לחלוטין של המודולוס של יאנג ושל היחס של פואסון. על ידי שימוש בלייזר -שנוצר בלייזר פמט שנייה בטווח התדרים של GHz עד THz, המערכת משיגה רזולוציה מרחבית תת--מיקרונית, ובכך מאפשרת הערכת-איכות גבוהה, שכבה-אחרת-שכבה. כדי להתמודד עם האתגר של זיהוי אותות קולי בתוך חספוס פני השטח הטבוע בשכבות שהופקדו, צוות המחקר השתמש ב-ליטוש לייזר באתר-ולא בליטוש מכני מסורתי-ששיפר משמעותית את יכולת הזיהוי של הגלים האולטראסוניים. בדיקות שנערכו בתנאי עיבוד DED שונים הוכיחו כי התכונות המכניות המוערכות בטכניקה זו מציגות רמה גבוהה של עקביות עם התוצאות המתקבלות מבדיקות מתיחה עצמאיות שבוצעו לאחר השלמת תהליך הייצור.
03
**ניתוח מאויר**
איור 1 מציג סקירה סכמטית של זרימת העבודה הכוללת עבור טכניקת הערכת המאפיינים המכאניים באתר- בתוך תהליך DED. הוא ממחיש בבירור את הליך הליבה-המתחיל מהמצע-אשר משלים ברצף את הערכת מודול יאנג של השכבה המופקדת ויחס פואסון באמצעות ארבעה שלבים ברורים: שלב 1 משתמש בלייזר DED כדי לבצע את תהליך ה-DED, איחוד והפקדת שכבת מתכת גסה של אבקת D0 לצורת אבקת D0 בקירוב. מיקרומטר; שלב 2 מחדש-מכוון לייזר ליטוש (שעשוי להיות אותו מכשיר כמו לייזר DED) לביצוע ליטוש לייזר; באמצעות התכה מחדש, תהליך זה יוצר שכבה חלקה המומסת מחדש על פני החומר המופקד, ומפחיתה את החספוס הממוצע האריתמטי לכ-0.3 מיקרומטר; שלב 3 משתמש בלייזר femtosecond כדי לעורר ולמדוד גלים קוליים בטווח התדרים של GHz-THz בתוך האזור המוצק לאחר הליטוש; שלב 4 מעריך את מודול ה-Young ואת היחס של Poisson בהתבסס על האותות האולטרסאונדים הנמדדים, בשילוב עם קשרי מתח-. התרשים כולל גם הערות תואמות המדגישות את ציוד הלייזר העיקרי ואת השינויים המורפולוגיים של פני השטח הקשורים לכל שלב, ובכך מספקת הדגמה ויזואלית של המאפיינים הבלתי -ללא מגע ובלתי -הרסניים של הטכניקה על פני כל זרימת העבודה "השקעת-ליטוש-זיהוי-הערכת" שלה.
איור 2 מציג ניתוח השוואתי מקיף החוקר את ההשפעה של ליטוש לייזר על חספוס פני השטח של שכבות מתכת DED. הניתוח כולל שלוש דמויות משנה-(א), (ב) ו-(ג)-הניתוח מתבצע על פני שלושה מימדים: פרמטרים כמותיים, מורפולוגיה מאקרוסקופית וטופוגרפיה מיקרוסקופית, תוך התמקדות מרכזית בקבוצה האופטימלית של פרמטרי ליטוש שזוהו עבור דגימה I-11. תת-דמות (א) מציגה טבלה כמותית של ערכי חספוס פני השטח המקבילים ל-16 שילובי פרמטרים ברורים של ליטוש, המשתרעים על עוצמת ליטוש של 200-350 W ומהירויות ליטוש של 13-21 מ"מ/שנייה. טבלה זו מפרטת את ערכי Ra בפועל שנמדדו לאחר ליטוש של 16 רצועות-שכבות בודדות בדגימה I, המזהה בבירור את השילוב של 300 W + 18 מ"מ/שנייה כקבוצת הפרמטרים האופטימלית (I-11, Ra=0.31 מיקרומטר); יתר על כן, הוא מדגיש בעיות הקשורות לטווחי פרמטרים אחרים-במיוחד, ערכי חספוס גבוהים יותר הנובעים משילובי-הספק,-מהירות-גבוהים, והנטייה לשילובי מהירות-גבוהים ומהירות-נמוכה לגרום לגלי פני השטח עקב אידוי אבקה. תת-דמות (ב) מציגה השוואה מקרוסקופית מקרוב של דגימה I-11 לפני ואחרי ליטוש עם הפרמטרים האופטימליים, המדגימה באופן ויזואלי שיפור משמעותי בשטיחות פני השטח ובאחידות לאחר תהליך הליטוש. תת-דמות (ג) מספקת תצוגה השוואתית של תמונות מיקרוסקופ אופטי (בקנה מידה עקבי של 40 מיקרומטר) המציגה דגימה I-11 לאחר ליטוש אופטימלי (משמאל) לעומת מצבה הלא מלוטש (מימין); המשטח הלא מלוטש מאופיין בשפע של חלקיקי אבקה לא התמזגו, אי אחידות משמעותיים ומראה כהה יותר הנובע מפיזור אור, בעוד שהמשטח המלוטש כמעט ללא אבקה לא התמזגה, נראה שטוח וחלק, ומפגין החזר אור אחיד. בסופו של דבר, ערכת פרמטרים אופטימלית זו הפחיתה את חספוס פני השטח מערך התחלתי של 4.2 מיקרומטר ל-0.31 מיקרומטר - שיעור שיפור של 93%. באמצעות השוואה משולשת זו הכוללת נתונים כמותיים, מורפולוגיה מקרוסקופית וטופוגרפיה מיקרוסקופית, הדמות מאמתת למעשה את יעילות ליטוש הלייזר בהפחתת חספוס פני השטח של שכבות מתכת DED ובו זמנית קובעת את פרמטרי התהליך האופטימליים עבור ליטוש לייזר.
