1 dr hab. inż. Bogdan Dybała Wrocław, 18 kwietnia 2016

1 dr hab. inż. Bogdan Dybała Wrocław, 18 kwietnia 2016

dr hab. inż. Bogdan Dybała
Politechnika Wrocławska, Wydział Mechaniczny
Wrocław, 18 kwietnia 2016
RECENZJA
rozprawy doktorskiej mgr inż. Jarosława KURZACA pt.: „Metodyka badań własności materiałów
wytwarzanych technologią selektywnej laserowej metalurgii proszków”
Recenzję sporządzono na zlecenie Prodziekana Wydziału Mechanicznego Politechniki Wrocławskiej,
prof. dr hab. inż. Tadeusza Smolnickiego (pismo nr W10/41d/12/2016 z dnia 25 stycznia 2016 r.).
Wstęp
Przedstawiona praca doktorska podejmuje temat o rosnącym znaczeniu dla przemysłu lotniczego –
zastosowania technologii przyrostowych do wytwarzania części ze stopu niklu. Zalety technologii
addytywnych sprawiają, że w wielu ośrodkach badawczych i przemysłowych prowadzone są badania
nad technologiami laserowej lub elektronowej mikrometalurgii proszków metali, pozwalającymi na
wytwarzanie funkcjonalnych części o złożonych kształtach, posiadających lepsze własności użytkowe
(np. istotny dla lotnictwa stosunek masy do wytrzymałości) i/lub zastępujących dotychczasowe
złożenia (co upraszcza montaż). Koncerny lotnicze nieśmiało chwalą się pierwszymi wyrobami
wytwarzanymi przyrostowo, ale to wciąż obszar wymagający wielu badań i niewiele takich części
spełnia jeszcze wymagania konieczne dla dopuszczenia ich do produkcji seryjnej.
Badania nad przyrostowymi technologiami wytwarzania prowadzone są także na Politechnice
Wrocławskiej, a praca doktorska pana mgr inż. Jarosława Kurzaca dotyczy właśnie laserowej
mikrometalurgii proszków (Selective Laser Melting, SLM) do wytwarzania części z wybranego stopu
niklu o handlowej nazwie Inconel 718. Stop ten jest stosowany m.in. w produkcji części silników
odrzutowych, rakietowych i kosmicznych oraz w energetyce jądrowej.
Oceniana praca doktorska liczy 211 stron i jest podzielona na 11 rozdziałów oraz 45-stronicowy
załącznik, zawiera też wykaz akronimów oraz spisy: treści, literatury i rysunków. Bibliografia obejmuje
124 pozycje, z których większość (89%) stanowią książki, artykuły w czasopismach i inne publikacje
zwarte, pozostałe 11% to źródła internetowe. Większość pozycji to źródła nowe, nie starsze niż kilkakilkanaście lat, co ma duże znaczenie przy nowatorskich cechach opisywanych zagadnień.
Pracę charakteryzuje dobry poziom edytorski, zawiera starannie wykonane wykresy, rysunki i zdjęcia
oraz poprawne podstawowe elementy typografii, ale nieco zbyt małe bywa na stronach „światło” –
odstępy między elementami składu (tekstem, tytułami, podpisami, rysunkami itp.). Język pracy jest
właściwy dla publikacji naukowych, choć niekiedy przesycony specjalistycznym „slangiem”.
Charakterystyka rozprawy doktorskiej
Recenzowana praca ma strukturę nieco odbiegającą od tradycyjnej – rozpoczyna się od ogólnego
przeglądu zastosowań technologii przyrostowych (z odniesieniami do literatury), przechodzi do opisu
technologii SLM, w którym autor przedstawił oprócz źródeł literaturowych także własne bogate
1
doświadczenia w tym zakresie, po czym następuje sformułowanie celu pracy (autor postanowił nie
przedstawiać „tezy”), rozdział na temat materiału podlegającego badaniom (kolejny raz – z
przeglądem literatury), rozdział z opisem opracowanej autorskiej metodyki i rozdziały ilustrujące
kolejne etapy badań prowadzące do jego realizacji.
We wprowadzeniu autor przedstawił obszar technologii generatywnych, opisując ich klasyfikację, a w
rozdziale drugim ukazał szeroki obraz zastosowań tych technologii ze szczególnym uwzględnieniem
przemysłu lotniczego, w tym liczne przykłady części wytwarzanych już przyrostowo z metali.
Rozdział trzeci poświęcony jest już laserowej mikrometalurgii proszków i zawiera:
 opis zasady działania technologii SLM,
 przykłady materiałów w ten sposób przetwarzanych,
 stałe czynniki technologiczne procesu SLM,
 zmienne (nastawne) parametry procesu,
 niektóre problemy związane z naprężeniami wewnętrznymi w wytwarzanych obiektach,
 podstawowe zasady projektowania procesu wytwarzania.
W rozdziale czwartym doktorant sformułował cel badań prowadzonych w ramach pracy, jaki ma
odpowiadać na zapotrzebowanie ze strony przemysłu lotniczego – przystosowanie technologii SLM
do wytwarzania wyrobów z wybranego stopu niklu – Inconel 718. Wydaje się jednak, że cel w postaci
„Opracowanie stabilnej i powtarzalnej technologii wytwarzania funkcjonalnych elementów
konstrukcyjnych ze stopów niklu z wykorzystaniem technologii SLM” nie do końca koresponduje z
tytułem pracy, w którym pojawia się „metodyka badań”, i z treścią rozdziału 6, poświęconego właśnie
tej metodyce. Zadaniem szczegółowym, jakie sobie autor postawił, był dobór parametrów procesu
warstwowego laserowego przetapiania proszków i obróbki cieplnej wytworzonych w ten sposób
obiektów dla materiału, którym dysponował, oraz opracowanie zasad doboru tych parametrów dla
innych materiałów (proszek z innego źródła, proszki innych stopów niklu lub innych metali).
Zdefiniowane też zostały zadania badawcze, opisywane w rozdziałach od 7 do 10 jako etapy I-IV.
Rozdział piąty zawiera przegląd literatury na temat stopów niklu, przede wszystkim Inconelu 718.
Opisano jego właściwości chemiczne, mikrostrukturę i sposoby obróbki cieplnej.
W rozdziale szóstym doktorant przedstawił metodykę badań prowadzących do opracowania
technologii przetwarzania wybranych materiałów metalicznych metodą laserowej mikrometalurgii.
Metodyka ta była już częściowo publikowana w raportach z projektów, artykułach oraz w pracach
doktorskich innych członków zespołu, w którym pracuje autor – należy się domyślać, że jest ona
osiągnięciem zespołowym. Doktorant wyróżnia 4 etapy takich prac: od charakteryzacji materiału
wejściowego – proszku, przez początkowe ustalenie zakresów parametrów procesu SLM, bardziej
precyzyjną optymalizację parametrów, aż do ich weryfikacji. Etapy te w badaniach stopu Inconel 718
zostały przedstawione w czterech kolejnych rozdziałach.
I tak w rozdziale siódmym autor przedstawił wyniki charakteryzacji proszku stopu Inconel:
 analiza składu chemicznego metodą spektralną,
 jakościowa ocena kształtu ziaren proszku w obrazie mikroskopowym,
 analiza rozkładu różnych wielkości ziaren przy pomocy programu komputerowego
przetwarzającego obraz ze skaningowego mikroskopu elektronowego oraz przy pomocy
zestawu sit,
 pomiar gęstości nasypowej proszku,
2
 ocena absorpcyjności promieniowania laserowego na podstawie danych literaturowych.
W rozdziale ósmym pracy doktorant pokazał przebieg i rezultaty doboru najpierw czterech istotnych
parametrów zmiennych procesu SLM: mocy lasera, czasu naświetlania jednego punktu skanu,
odległości między punktami oraz grubości warstwy, potem dołożył piąty i szósty parametr: odległości
między liniami skanowania oraz strategię skanowania. Dla wstępnego doboru 4 parametrów
zaplanowano 3 x 5 x 6 x 1 = 90 kombinacji parametrów i badano wyniki procesu budowy próbek,
mających postać ustawionych w kwadrat czterech cienkich ścianek o niewielkiej wysokości. Analiza
wyników polegała na pomiarach i jakościowej ocenie obrazów mikroskopowych w zakresie: odchyłek
grubości ścianek od wartości nominalnej, ciągłości strugi zastygłego metalu, falistości górnych i
bocznych powierzchni ścianek, rzeczywistej odległości między warstwami, głębokość penetracji
energii cieplnej. Kryterium wstępnego doboru parametrów procesu nie było niestety sformalizowane
– w wyniku jakościowej oceny wszystkich kombinacji parametrów odrzucono te z nich, które
prowadziły do niekorzystnych cech próbek. Autor szczegółowo wyjaśniał też mechanizmy
powodujące powstawanie wszelkich odchyleń od nominalnego kształtu próbek. Dobór piątego i
szóstego parametru procesu SLM polegał na analizie porowatości próbek pełnych,
prostopadłościennych. Pomiar porowatości, wykonywany przy pomocy programowej analizy
mikroskopowych obrazów zgładów metalograficznych, pozwolił na wskazanie tych spośród
przetestowanych kilkudziesięciu kombinacji parametrów procesu, które prowadziły do wytworzenia
próbek o najmniejszej porowatości – poniżej 0.1%. Ostatecznie zdecydowano, że spośród tych
kombinacji w kolejnych badaniach będzie wykorzystywana ta, która cechuje się najwyższą
produktywnością (najkrótszym czasem wytwarzania).
Rozdział dziewiąty poświęcony jest badaniom własności materiałowych – przedstawia wyniki analizy
mikrostruktury, pomiarów twardości, pomiarów wytrzymałości mechanicznej w próbie statycznego
rozciągania i analizy fraktograficznej próbek o różnej orientacji w procesie budowy (pionowej,
poziomej, ukośnej). Ta część pracy zawiera także zapis badań skutków obróbki cieplnej (przesycania i
starzenia) według ośmiu różnych scenariuszy i wybór najlepszego z nich z punktu widzenia
korzystnych własności materiałowych tak potraktowanych próbek (cechy mikrostruktury, twardość,
wytrzymałość). Zarówno w tym, jak i w poprzednim rozdziale na uwagę zasługuje rozległość
programu badań – doktorant zaprojektował, wytworzył i dokonał wielu różnych analiz bardzo dużej
ilości próbek. Wymagało to na pewno długiego czasu i ogromnego zaangażowania. Docenić też należy
biegłość w prowadzeniu analiz tego rodzaju, w tym także w obsłudze sprzętu badawczego.
W krótkim rozdziale dziesiątym doktorant przedstawił „model weryfikacyjny” – demonstrator
technologii SLM dla materiału Inconel 718, którym była łopatka turbiny gazowej z kanałem
chłodzącym. Uzasadniając wybór metody wytwarzania autor posłużył się wnioskami
niezaprezentowanymi wcześniej, np. stwierdził, że „orientacja [pionowa, w komorze roboczej
urządzenia SLM] zapewnia optymalne skojarzenie własności mechanicznych oraz posiada największą
powtarzalność i minimalny rozrzut wyników” [podkreślenia - BD] – żadnej z tych cech autor nie
opisywał jednak spójnie we wcześniejszych rozdziałach w ten sposób (poza pojedynczymi uwagami
na ten temat), nie porównywał ich na przykład dla próbek z orientacją pionową i pozostałych
czterech orientacji; trudno więc potwierdzić ogólną słuszność tego twierdzenia. Potwierdziła się za to
powtarzalność zmierzonej dla materiału turbiny twardości i cech mikrostruktury w warunkach po
procesie SLM i po obróbce cieplnej z twardościami i mikrostrukturami próbek badanych wcześniej.
3
W ostatnim rozdziale doktorant podsumował rozprawę, dowodząc osiągnięcia głównego celu pracy
doktorskiej – opracowania technologii SLM dla stopu Inconel 718. Sformułował także wnioski
poznawcze, w tym zidentyfikowanie wpływu parametrów procesu na właściwości wyrobu
końcowego, oraz wnioski utylitarne, w tym konieczność stosowania obróbki cieplnej po procesie
laserowej mikrometalurgii. Autor nakreślił też kierunki badań na przyszłość, wśród których za uwagę
zasługują prace nad wysokotemperaturową komorą roboczą urządzenia dla procesu SLM – oby udało
się je przeprowadzić.
Ocena rozprawy
Oceniana praca jest wartościowa i dotyczy istotnego problemu naukowego. Zdefiniowany cel
rozprawy został osiągnięty.
Za szczególny dorobek autora można uznać:
 Opracowanie metodyki dostosowania technologii laserowej mikrometalurgii proszków (SLM)
do wytwarzania nowych materiałów – przez kilkuetapowy dobór zmiennych parametrów
procesu na podstawie analiz właściwości próbek, m.in. pomiarów i oceny wybranych cech
geometrycznych, badań mikroskopowych, prób wytrzymałościowych.
 Opracowanie technologii przyrostowego wytwarzania metodą SLM oraz obróbki cieplnej części
ze stopu niklu typu Inconel 718, który z uwagi na swoje szczególne właściwości –
żarowytrzymałość, odporność na korozję – może być wykorzystywany w wielu sektorach
przemysłu, m.in. w lotnictwie.
Praca ma charakter oryginalny i wyniki są interesujące, wnosząc ważny wkład w rozwój technologii
wytwarzania.
Uwagi do rozprawy doktorskiej
Zagadnienia warte dodatkowych wyjaśnień ze strony autora pracy:
1. W podrozdziale 3.2.2 na str. 28 autor przedstawia dość ogólnie zagadnienie doboru struktur
wspierających w technologii SLM, w tym także na przykładzie dwóch elementów zębatych,
które pokazuje na zdjęciach. Skąd wiadomo, że pomimo pęknięcia struktur wspierających i
częściowego oderwania się jednego z elementów od platformy podczas procesu wytwarzania,
cały element został „prawidłowo wykonany” i nie stracił swojej „wartości użytkowej”? Także
przywołany w tym fragmencie tekstu efekt „niwelowania deformacji na kolejnych warstwach”
jest wart głębszego wyjaśnienia.
2. W podrozdziale 3.2.3 na str. 30 autor podaje sugerowane zależności geometryczne dla
parametrów procesu SLM, w szczególności związki między grubością warstwy (b), odległością
wysunięcia kolejnej warstwy poza obrys poprzedniej bez konieczności jej podpierania (a) oraz
średnicą plamki lasera (Dl):
𝑏
𝑎
≤ 1,
𝑏
𝐷𝑙
1
= 4 oraz
𝑎
𝐷𝑙
1
= 4, nie podając źródła pochodzenia tych
zależności. Skąd się wzięły? W podrozdziale 8.1 na str. 79 podano tę drugą zależność w formie
nieostrej nierówności zamiast równania, ale także nie wyjaśniono jej pochodzenia.
3. W rozdziale 6 na str. 62 autor opisując metody badania porowatości materiału wytworzonego
w technologii SLM obok mikroskopowej analizy zgładów przywołuje też mikrotomografię
4
komputerową, ale widzi jej ograniczenia w „powiązaniu rozdzielczości przestrzennej i gęstości
materiału”. To zbyt duży skrót myślowy, wart rozwikłania.
4. W opisie wyników badań eksperymentalnych brakuje informacji dotyczących niepewności
pomiarów. W wielu tabelach podawane jest odchylenie standardowe (albo nazwane tak
wprost, albo jako część zapisu wartości średniej – po znaku „±”, albo na wykresach – jako
„przedział ufności dla poziomu ufności 0.95”), ale dla wielu wyników badań (zazwyczaj na
wykresach) brakuje jakichkolwiek oznaczeń. Przy tak niewielkiej liczbie przebadanych próbek,
zwykle było to 3-5 sztuk, odchylenie standardowe nie jest najlepszym wskaźnikiem
niepewności.
Drobniejsze uwagi redakcyjne, niewymagające odpowiedzi autora:
a) Niewłaściwie używane jest określenie „model” na obiekty techniczne wytwarzane w określonej
technologii, w tym przypadku SLM. Lepszymi słowami byłyby „element”, „obiekt”, „próbka”,
„prototyp” lub „część”, w zależności od charakteru efektu wytwarzania. „Model” to
uproszczona reprezentacja obiektu rzeczywistego, czy to wirtualna (model komputerowy) czy
fizyczna (model do testowania jednej lub kilku wybranych cech, różniący się od pełnej
konstrukcji końcowej).
b) Niewłaściwe jest używanie przymiotnika „optymalny” bez podania ścisłego kryterium
„optymalności”. W rozdziale 8, w odniesieniu do zestawów parametrów prowadzących do
wytwarzania próbek o „zadowalającej jakości” (ocenianej subiektywnie) wypadałoby
określenie „optymalny” zastąpić słowami „sugerowany” lub „rekomendowany”.
c) Przesadnie często autor przywołuje niejasne określenie „metodyczności postępowania
[podczas prowadzenia badań]”: strony 32, 34, 35, 38, dwukrotnie 57, 72 i 149. Może znalazłby
się tutaj jakiś zamiennik?
d) We wzorach w rozdziale 3, np. na Vs czy LPd nie uwzględniono we właściwy sposób
przedrostków wymiarów składników, np. jeśli odległość Pkt jest wymiarowana w
mikrometrach (niestarannie oznaczonych w tab. 3.3 jako „um”), a czas Czp w mikrosekundach
(w tab. 3.3: „us”), to prędkość Vs jako ich prosty iloraz będzie miała wartość wyrażoną w
1 ∙10−6 𝑚
1 𝜇𝑚
metrach na sekundę, a nie milimetrach na sekundę ( 1 𝜇𝑠 = 1∙10−6 𝑠 = 1 𝑚⁄𝑠), chyba że – jak
to robił autor – będzie mnożona przez 1000.
e) Badanie, w którym pomiary kilku próbek różnią się tak bardzo jak w pomiarze wydłużenia
próbek pionowych po obróbce cieplnej (podrozdział 9.4, str. 122, tab. 9.9 – odchylenie
standardowe niewiele mniejsze od wartości średniej), należałoby powtórzyć, być może przy
większej liczebności próbek. W najgorszym razie – lepiej byłoby odrzucić wyniki badania tej
właściwości.
f) W spisie literatury na końcu pracy rozdzielono źródła drukowane i internetowe, numerowane
w tekście wspólnie według ich kolejności odwołań („chronologicznie”), na dwie oddzielne listy
– w rezultacie obydwie listy są nieciągłe i utrudniają wyszukiwanie informacji bibliograficznej.
g) Niektóre sformułowania zawierają zbyt duże skróty myślowe lub są wyrażone w żargonie
technicznym, np. zamiast „skurcz materiału oraz naprężenia własne nie są blokowane”
powinno się raczej napisać „nie zapobiega to odkształceniom spowodowanym skurczem
materiału oraz naprężeniami własnymi”.
h) Pracy przydałaby się końcowa korekta redakcyjna – pozwoliłaby wyeliminować błędy
ortograficzne lub „literówki” (częste braki ostatniej litery w wyrazie), błędy gramatyczne
5
(składniowe, np. „lasera przesuwa się o zadaną odległość powtarzając czynność tworzy linię
skanowania”) i błędy interpunkcyjne (notorycznie niewłaściwe używanie przecinków).
Podsumowanie
Przedstawiona praca jest oryginalnym rozwiązaniem problemu naukowego i wykazuje ogólną wiedzę
teoretyczną doktoranta w dyscyplinie naukowej „budowa i eksploatacja maszyn” oraz jego
umiejętność samodzielnego prowadzenia pracy naukowej.
Uważam, że rozprawa doktorska pana mgr inż. Jarosława Kurzaca pt.: „Metodyka badań własności
materiałów wytwarzanych technologią selektywnej laserowej metalurgii proszków” spełnia
wymagania Ustawy o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie
sztuki (z dnia 14 marca 2003 r.) i wnoszę o dopuszczenie jej autora do publicznej obrony.
6