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Engineering

बहुपरत जमाव के लिए परत मोटाई निर्धारित करने के लिए निर्देशित ऊर्जा जमाव से Ti-6Al-4V की एकल पटरियों का उत्पादन

Published: March 13, 2018 doi: 10.3791/56966
Automatic Translation
1, 2, 2, 2, 1, 1, 1
1Department of Applied Science and Technology, Politecnico di Torino, 2IRIS S.r.l.

Summary

इस शोध में, एक तेजी से पिघल पूल लक्षण वर्णन पर आधारित विधि तिवारी के परत मोटाई-6Al-4V निर्देशित ऊर्जा जमाव द्वारा उत्पादित घटकों का अनुमान विकसित की है ।

Abstract

निर्देशित ऊर्जा जमाव (DED), जो एक additive विनिर्माण तकनीक है, एक लेजर बीम जहां धातु पाउडर कणों के रूप में इंजेक्ट किया जाता है के साथ एक पिघला हुआ पूल के निर्माण शामिल है । सामांय में, इस तकनीक को या तो बनाना या विभिंन घटकों की मरंमत कार्यरत है । इस तकनीक में, अंतिम विशेषताओं कई कारकों से प्रभावित हैं । दरअसल, DED द्वारा घटकों के निर्माण में मुख्य कार्यों में से एक प्रक्रिया मापदंडों (जैसे लेजर शक्ति, लेजर गति, फोकस, आदि) जो आम तौर पर एक व्यापक प्रयोगात्मक जांच के माध्यम से बाहर किया जाता है के रूप में अनुकूलन है । हालांकि, इस तरह का प्रयोग बेहद लंबा और महंगा है । इस प्रकार, आदेश में अनुकूलन प्रक्रिया में तेजी लाने के लिए, एक जांच के लिए एक को पिघल पूल characterizations पर आधारित विधि विकसित किया गया । वास्तव में, इन प्रयोगों में, तिवारी के एकल पटरियों-6Al-4V लेजर शक्ति और लेजर गति के कई संयोजन के साथ एक DED प्रक्रिया द्वारा जमा किए गए थे. भूतल आकृति विज्ञान और एकल पटरियों के आयामों का विश्लेषण किया गया, और पिघल पूल के ज्यामितीय विशेषताओं को चमकाने और क्रॉस-वर्गों नक़्क़ाशी के बाद मूल्यांकन किया गया । उपयोगी इष्टतम प्रक्रिया मापदंडों के चयन के बारे में जानकारी पिघल पूल सुविधाओं की जांच द्वारा प्राप्त किया जा सकता है । इन प्रयोगों को कई परतों के साथ बड़े ब्लॉक की विशेषताएं बढ़ाया जा रहा है । दरअसल, इस पांडुलिपि का वर्णन करता है कि यह जल्दी से बड़े पैमाने पर जमाव के लिए परत मोटाई निर्धारित करने के लिए संभव होगा, और इष्टतम मापदंडों की गणना ऊर्जा घनत्व के अनुसार से अधिक या के तहत बयान से बचें । इसके अलावा से अधिक या के तहत जमाव, समय और सामग्री की बचत इस दृष्टिकोण है जिसमें बहुपरत घटकों के जमाव परत मोटाई के मामले में किसी भी पैरामीटर अनुकूलन के बिना शुरू किया जा सकता है की अंय महान लाभ कर रहे हैं ।

Introduction

तिवारी-6Al-4V एयरोस्पेस, विमान, मोटर वाहन, और अपने उच्च शक्ति के लिए वजन अनुपात, उत्कृष्ट फ्रैक्चर क्रूरता, कम विशिष्ट गुरुत्व, उत्कृष्ट संक्षारण प्रतिरोध, और गर्मी की वजह से जैव चिकित्सा उद्योगों में सबसे अधिक इस्तेमाल किया तिवारी मिश्र धातु है संधि । हालांकि, अंय अनुप्रयोगों में इसके आगे की घटनाओं को चुनौती दे रहे हैं, अपने कम थर्मल चालकता और उच्च जेट सुविधाओं, जो अपने गरीब मशीन में परिणाम के कारण । इसके अलावा, काटने के दौरान गर्मी सख्त घटना के कारण, एक विशिष्ट गर्मी उपचार किया जाना चाहिए1,2,3,4।

फिर भी, additive विनिर्माण (हूं) प्रौद्योगिकियों महान नई विनिर्माण तकनीक है कि मूल्य और ऊर्जा की खपत को कम कर सकते है के रूप में इस्तेमाल किया जा क्षमता दिखाया, और तिवारी के निर्माण में मौजूदा चुनौतियों में से कुछ पता-6Al-4V मिश्र धातु ।

Additive विनिर्माण तकनीक अभिनव के रूप में जाना जाता है और एक परत द्वारा परत फैशन में एक के पास शुद्ध आकार घटक बनाना कर सकते हैं । एक परत द्वारा परत additive विनिर्माण दृष्टिकोण है, जो पतले परतों में एक कंप्यूटर सहायता प्राप्त डिजाइन (सीएडी) मॉडल स्लाइस और फिर परत से घटक परत बनाता है, सभी के लिए मौलिक है हूं तरीके । पाउडर बिस्तर, पाउडर फ़ीड (उड़ा पाउडर), तार फ़ीड, और अन्य मार्गों3,5,6: सामान्य में, धातु सामग्री के additive विनिर्माण चार अलग प्रक्रियाओं में विभाजित किया जा सकता है ।

निर्देशित ऊर्जा जमाव (DED) additive विनिर्माण के एक वर्ग है और एक विकसित पाउडर प्रक्रिया है कि तीन-आयामी एक सीएडी अंय AM तरीकों के समान फ़ाइल से शुद्ध आकार ठोस भागों के पास (3 डी) गढ़े है । अंय तकनीकों के साथ इसके विपरीत, DED केवल एक विनिर्माण पद्धति के रूप में इस्तेमाल नहीं किया जा सकता है, लेकिन यह भी उच्च मूल्य भागों के लिए एक मरंमत तकनीक के रूप में नियोजित किया जा सकता है । DED प्रक्रिया में, धातु पाउडर या तार सामग्री पिघला पूल, जो या तो सब्सट्रेट या पहले से जमा परत पर लेजर बीम द्वारा उत्पंन होता है में एक वाहक गैस या मोटर्स द्वारा खिलाया जाता है । DED प्रक्रिया एक होनहार उंनत विनिर्माण प्रक्रिया है कि खरीदने के लिए उड़ान के अनुपात को कम करने में सक्षम है, और भी उच्च मूल्य भागों है कि पहले से प्रतिस्थापित या अपूरणीय7नकारात्मक स्तर तक महंगे थे मरंमत करने में सक्षम है ।

आदेश में वांछित ज्यामितीय आयामों और सामग्री गुणों को प्राप्त करने के लिए, यह उपयुक्त पैरामीटर स्थापित करने के लिए महत्वपूर्ण है8. प्रोसेस पैरामीटर्स और जमा किए गए नमूने के अंतिम गुण के बीच संबंधों को स्पष्ट करने के लिए कई अध्ययनों को शुरू किया गया है. Peyre एट अल. 9 अलग प्रक्रिया मापदंडों के साथ कुछ पतली दीवारों का निर्माण किया है, और फिर 2d और 3 डी profilometry का उपयोग करके उंहें विशेषता । उंहोंने दिखाया है कि परत मोटाई और पिघल पूल मात्रा किसी न किसी तरह मापदंडों को प्रभावित करते हैं । विम एट अल। 10 एक मॉडल का प्रस्ताव है ताकि प्रक्रिया के मापदंडों और एक एकल cladding परत के ज्यामितीय विशेषताओं के बीच संबंध का विश्लेषण करने के लिए (ढंकी ऊंचाई, पहने चौड़ाई, और प्रवेश की गहराई) ।

तिथि करने के लिए, तिवारी मिश्र के DED पर कई अध्ययनों की रिपोर्ट की गई है, जिनमें से ज्यादातर बड़े पैमाने पर नमूनों की संपत्तियों पर मापदंडों के संयोजन के प्रभाव पर ध्यान केंद्रित11,12,4. Rasheedat एट अल. लेजर धातु के परिणामी गुणों पर स्कैन गति और पाउडर प्रवाह दर के प्रभाव का अध्ययन किया तिवारी-6Al-4V मिश्र धातु । उंहोंने पाया कि स्कैन की गति और पाउडर प्रवाह दर microstructure Widmanstätten से एक martensitic microstructure है, जो सतह किसी न किसी की वृद्धि में परिणाम और जमा नमूनों की microhardness के लिए बदल दिया7। फिर भी, कम ध्यान परत मोटाई की स्थापना डिजाइनिंग के लिए भुगतान किया गया है । चोई एट अल. परत मोटाई और प्रक्रिया मापदंडों के बीच सहसंबंध की जांच की है । उंहोंने पाया है कि वर्तमान ऊंचाई और वास्तविक ऊंचाई के बीच त्रुटि के मुख्य स्रोत पाउडर जन प्रवाह दर और परत मोटाई13की स्थापना कर रहे हैं । क्योंकि वे परत मोटाई सेटिंग में लंबी और गलत प्रक्रियाओं शामिल उनकी पढ़ाई ठीक से परत मोटाई सेटिंग को लागू नहीं किया । Ruan एट अल. एक निरंतर लेजर शक्ति और पाउडर खिला दर14पर जमा परत ऊंचाई पर लेजर स्कैनिंग गति के प्रभाव की जांच की है । वे परत मोटाई सेटिंग जो विशिष्ट प्रसंस्करण की स्थिति के तहत प्राप्त किए गए थे के लिए कुछ अनुभवजंय मॉडल का प्रस्ताव किया है, और इस प्रकार परत मोटाई सेटिंग विशिष्ट प्रक्रिया मानकों के उपयोग के कारण सटीक नहीं हो सकता है15। पिछले कार्यों के विपरीत, परत मोटाई सेटिंग इस पांडुलिपि में प्रस्तावित प्रक्रिया एक तेजी से विधि है जो समय और सामग्री बर्बाद कर के बिना प्रदर्शन किया जा सकता है ।

इस काम का मुख्य ध्यान इष्टतम DED प्रक्रिया मापदंडों पर तिवारी-6Al-4V मिश्र धातु की एकल पटरियों की विशेषताओं के आधार पर परत मोटाई के निर्धारण के लिए एक तेजी से विधि विकसित करने के लिए है । इसके बाद, इष्टतम प्रक्रिया मापदंडों के लिए एक परत मोटाई निर्धारित करने और समय और सामग्री बर्बाद कर के बिना उच्च घनत्व तिवारी-6Al-4V ब्लॉकों बनाना कार्यरत हैं ।

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Protocol

1. पाउडर लक्षण वर्णन

  1. एक डबल पक्षीय चिपचिपा कार्बन टेप है, जो एक एल्यूमीनियम पिन ठूंठ पर स्थित है पर शुरू Ti-6Al-4V पाउडर के 3 जी रखो, और एक क्षेत्र के नमूना कक्ष के अंदर डालने-उत्सर्जन स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (FESEM) पाउडर16की आकृति विज्ञान का विश्लेषण ।
  2. एक 30 सेमी3 कंटेनर भरने के द्वारा पाउडर के स्पष्ट घनत्व को मापने, और एएसटीएम-B212 मानक के अनुसार पाउडर के वजन को मापने ।
  3. शुरू पाउडर (5-10 ग्राम), प्रयुक्त पाउडर (5-10 g), और जमा ब्लॉक (20 ग्राम) के माध्यमसेतात्विक (उदा, लीको) और inductively युग्मित प्लाज्मा (आईसीपी) विश्लेषक 17 के रासायनिक विश्लेषण करते हैं ।

2. एकल पटरियों के ऊर्जा जमाव का निर्देश

  1. पाउडर लोड हो रहा है
    1. एन 149, पाउडर मुक्त डिस्पोजेबल nitrile दस्ताने, और सुरक्षात्मक प्लास्टिक के चश्मे की आवश्यकताओं के अनुरूप एक FFP3 श्वसन मुखौटा सहित व्यक्तिगत सुरक्षात्मक उपकरण पहनते हैं ।
    2. पाउडर खिला प्रणाली के कूदनेवाला खोलें और अवशिष्ट चूर्ण हटाने के लिए एक चिमटा प्रशंसक (उदा., एटेक्स) का उपयोग करें ।
    3. निर्माता द्वारा दिए गए उपयुक्त निर्देशों का पालन करके और इथेनॉल से लथपथ कागज तौलिए का उपयोग करके हर घटक साफ द्वारा कूदनेवाला निकालें ।
      नोट: इस कदम के लिए धातु पाउडर के विभिंन प्रकार के द्वारा संदूषण से बचने के मौलिक है ।
    4. निर्माता द्वारा दिए गए निर्देशों का पालन करके पाउडर खिला कूदनेवाला को पुनः संयोजित करें । पाउडर की लोडिंग करने के क्रम में केवल कूदनेवाला के शीर्ष कैप को अलग छोड़ें ।
    5. Ti-6Al-4V चूर्ण 50-150 µm की रेंज में granulometry होने के साथ हॉपर लोड करें । उपलब्ध कूदनेवाला के आकार के आधार पर, यह पूरी तरह से भरें ।
    6. किसी भी गैस रिसाव से बचने के क्रम में बहुत कसकर हॉपर के शीर्ष कैप को बंद करें ।
  2. नमूने की तैयारी
    1. 50 मिमी x 50 मिमी आयामों और 4 मिमी मोटाई के साथ एक Ti-6Al-4V शीट उठाओ ।
    2. इथेनॉल से लथपथ कागज तौलिए के साथ टाइटेनियम शीट की सतह को साफ । एक centesimal संतुलन के साथ चादर के वजन को मापने ।
    3. मार्कर की स्थिति के अनुसार कार्य क्षेत्र पर चादर रखें । कार्य क्षेत्र है, जहां जमाव जगह ले जाएगा, तो यह रोबोट के क्रमादेशित पथ के अनुसार निर्धारित किया जाता है ।
  3. रोबोट की तैयारी और जमाव उपकरणों की तैयारी
    1. लेजर सिर पर नोजल माउंट इतना है कि नोजल अक्ष और लेजर अक्ष के बीच कोण 35 ° है ।
    2. अंशांकन करने के लिए प्रारंभ कार्य बिंदु करने के लिए रोबोट ले जाएँ ।
    3. नोजल और काम कर रहे विमान के बीच की दूरी की जांच करें और यदि आवश्यक हो, मैंयुअल रूप से मापा दूरी 5 मिमी है जब तक नोजल स्थिति सही ।
      नोट: के बाद से कार्य क्षेत्र एक क्षैतिज विमान पर देता है, इस दूरी धातु शीट और नोक की नोक के बीच खड़ी दूरी है ।
    4. लेजर के साथ नोक आउटलेट के केंद्र की जांच करें: पहले, लेजर गाइड पर "लेजर गाइड पर क्लिक करके" लेजर के नियंत्रण के लिए सॉफ्टवेयर पर कमांड पर स्विच । फिर, एक पतली रॉड डाल, व्यास में 0.8 मिमी मापने और 200 मिमी लंबाई में, नोजल के अंदर. सत्यापित करें कि रॉड की नोक और लेजर गाइड के स्थान संयोग कर रहे हैं । यदि नहीं, मैंयुअल रूप से नोजल की स्थिति को समायोजित, दूरी और कोणों का संमान पहले संकेत दिया ।
      नोट: इस मामले में, नोजल के बाहरी व्यास 1 मिमी है; यदि एक छोटे व्यास के साथ एक नोक कार्यरत है, जिसका व्यास नोजल की तुलना में छोटे है एक रॉड का उपयोग करें ।
    5. जांच अंशांकन रोबोट नियंत्रण सॉफ्टवेयर में लिखा डेटा: बटन पर क्लिक करें "लागू" सॉफ्टवेयर पर, और कोड के संकलन के लिए रुको ।
      नोट: सॉफ्टवेयर कोड में त्रुटियों के लिए जाँच करेगा; कोई त्रुटि का पता लगाया है, तो कोड रोबोट नियंत्रक पर संग्रहीत किया जाता है । त्रुटियों का पता लगाया है, तो कोड संकलित नहीं किया जाएगा, और आगे संशोधन की आवश्यकता होगी ।
    6. लेजर नियंत्रण सॉफ्टवेयर पर "लेज़र सक्षम करें" आदेश पर क्लिक करके लेजर स्रोत मॉड्यूल सक्षम करें ।
      नोट: कार्यरत लेजर स्रोत एक सतत फाइबर लेजर अवरक्त क्षेत्र में उत्सर्जक है (1064 एनएम) 5 किलोवाट अधिकतम शक्ति के साथ ।
    7. मैंयुअल रूप से रोबोट के नियंत्रण कैबिनेट पर बटन "रोबोट मोटर्स" धक्का द्वारा रोबोट की मोटर्स सक्षम करें, और जांच करें कि संबंधित सुरक्षा एलईडी जलाया है: यदि हां, तो इसका मतलब है कि मोटर्स सक्षम हैं ।
  4. जमाव प्रक्रिया प्रारंभ करें
    1. मौजूदा प्रोग्राम सूची पर उचित फ़ाइल का चयन करें और मुख्य रोबोट दिनचर्या में कार्य पथ लोड ।
    2. लेजर और रोबोट मापदंडों की जांच करें: विशिष्ट लेजर शक्ति (325, 650, 980, 1500 डब्ल्यू) और रोबोट गति के लिए एक दिया गति (30, 40, 50, 60 mm/
      नोट: इन मापदंडों रोबोट के नियंत्रण सॉफ्टवेयर में लिखा, मशीन की विशिष्ट भाषा के अनुसार कर रहे हैं ।
    3. "सॉफ्टवेयर पर लागू करें" बटन धक्का द्वारा नए मापदंडों की पुष्टि करें, और कोड के संकलन के लिए प्रतीक्षा करें । सॉफ्टवेयर कोड में त्रुटियों के लिए जांच करेगा; कोई त्रुटि का पता लगाया है, तो कोड रोबोट नियंत्रक पर संग्रहीत किया जाता है और इसे शुरू किया जा करने के लिए तैयार है । रोबोट नियंत्रण सॉफ्टवेयर पर "प्रारंभ" बटन धकेलने से रोबोट दिनचर्या लांच ।
  5. विशेष निप्र का उपयोग करके नमूना उठाओ, और किसी भी अवशिष्ट पाउडर को हटाने के लिए एक इथेनॉल से लथपथ कागज तौलिया के साथ नमूना सतह साफ ।

3. एकल पटरियों का विश्लेषण

  1. 5x आवर्धन पर एक स्टीरियो माइक्रोस्कोप द्वारा शीर्ष से एकल पटरियों का विश्लेषण.
    नोट: इस चरण में, कुछ छवियों को एक स्टीरियो माइक्रोस्कोप के माध्यम से लिया और नेत्रहीन विश्लेषण कर रहे हैं.
  2. एक सटीक काटने उपकरण का उपयोग करके जमाव दिशा के लिए सीधा जमा पटरियों के बीच से एकल पटरियों कट.
  3. epoxy राल में एकल पटरियों के पार अनुभाग माउंट । एक बढ़ते कप चुनें और उस में साफ और शुष्क नमूना जगह है । वजन से ध्यान से राल की सही मात्रा को मापने (10 ग्राम/नमूना) और फिर एक तरल कठोर (6 ग्राम/नमूना) के साथ मिश्रण । डालो राल-नमूना पर मिश्रण और भरे बढ़ते कप छोड़ने के लिए कमरे के तापमान पर 30 मिनट के लिए इलाज । इसके बाद, 500, 800, और 1,200 धैर्य आकार सिक कागज के साथ घुड़सवार नमूनों पीस, और फिर हीरे का उपयोग कर पॉलिश हीरे कणों के महीन आकार (1 µm) के नीचे पेस्ट करें ।
  4. एक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप के माध्यम से आकार और porosity के मामले में पॉलिश सतहों का विश्लेषण करें । 10x आवर्धन पर ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप के साथ पिघल पूल की छवियों के अधिग्रहण, और फिर उंहें छवि का उपयोग कर-जंमू सॉफ्टवेयर का विश्लेषण ।
  5. पिघल पूल के ऊपर और नीचे के बीच की दूरी को मापने के द्वारा पिघल पूल की ऊंचाई को मापने । बाद में, एक विशिष्ट ऊर्जा घनत्व है, जो अपनी इसी समीकरण के अनुसार गणना की है के एक समारोह के रूप में पिघल पूल के मापा ऊंचाई भूखंड । वास्तव में, ऊर्जा घनत्व निंनलिखित समीकरण द्वारा गणना की जा सकती है:
    Equation 1
  6. एक 2एन डी आदेश बहुपद प्रयोगात्मक परिणामों पर फ़िट विशिष्ट ऊर्जा घनत्व के एक समारोह के रूप में परत मोटाई को इसी समीकरण प्राप्त करने के लिए ।
  7. एक विशिष्ट ऊर्जा घनत्व पर विचार करें, और अपने रिश्ते के अनुसार परत मोटाई की गणना, जो पिछले चरण में मनाया गया था ।
  8. विधि सत्यापित करने के लिए, परिकलित परत मोटाई पर विचार करके एक बहुपरत ब्लॉक बनाना, और फिर porosity और अंतिम ऊंचाई के संदर्भ में ब्लॉक के खंड की विशेषता है ।
  9. microstructure की धारा 3.3 के रूप में एक ही प्रक्रिया में एक चमकाने कदम के बाद गढ़े ब्लॉक के विश्लेषण । वास्तव में, अंतिम चमकाने के बाद, Kroll के एजेंट है, जो 92 मिलीलीटर आसुत जल, 6 मिलीलीटर नाइट्रिक एसिड, और 2 मिलीलीटर hydrofluoric एसिड होता है के साथ 30 एस के लिए नमूने खोदना ।

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Representative Results

प्रयोगात्मक अध्ययन के लिए, अनियमित Ti-6Al-4V पाउडर के एक औसत आकार के साथ 50-150 µm और स्पष्ट घनत्व के 1.85 g/cm3 सामग्री जमा के रूप में नियोजित किया गया था (चित्रा 1). पाउडर के रासायनिक विश्लेषण की पुष्टि की है कि ऑक्सीजन और नाइट्रोजन सामग्री पाउडर के पहले और बाद जमाव की प्रक्रिया में परिवर्तन नहीं किया, जबकि दोनों ही मामलों में ऑक्सीजन सामग्री के लिए तिवारी के मानक ऑक्सीजन सामग्री से अधिक था-6Al-4V पाउडर के लिए additive विनिर्माण (< 0.13%) । हालांकि, थोक घटकों की ऑक्सीजन और नाइट्रोजन सामग्री जमाव के बाद बढ़ गई ।

Figure 1
चित्र 1: प्रारंभ Ti-6Al-4V पाउडर सामग्री जमा करने के रूप में प्रयोग किया जाता है । यह 100 के एक औसत आकार के साथ एक अनियमित पाउडर है-150 µm और स्पष्ट घनत्व 1.85 g/cm3।

सी एस अल fe h एन हे वी ती
ताजा पाउडर ०.०१७ < 0.001 ५.८३ 0.08 ०.०१३ ०.०२२ ०.२३ 3.89 बाल.
प्रयुक्त चूर्ण ०.०१६ < 0.001 ५.८६ 0.08 ०.०१२ 0.02 0.22 3.87 बाल.
बल्क घटक ०.०२१ ०.००१ ५.७८ 0.08 ०.०१२ ०.०५८ ०.२८ 3.8 बाल.
मानक < 0.08 -- 5.5-6.5 < 0.25 < 0.012 < 0.05 < 0.13 3.5-4.5 बाल.

तालिका 1: Ti-6Al-4V पाउडर की रासायनिक संरचना से पहले और बाद में जमाव (weight प्रतिशत)। यह पता चलता है कि ऑक्सीजन और नाइट्रोजन सामग्री पाउडर के पहले और जमाव की प्रक्रिया के बाद बदल नहीं है, जबकि दोनों ही मामलों में ऑक्सीजन सामग्री additive विनिर्माण के लिए Ti-6Al-4V पाउडर के मानक ऑक्सीजन सामग्री से अधिक है ।

चित्रा 2 विभिन्न लेजर शक्ति और लेजर स्कैन गति पर जमाव के बाद तिवारी-6Al-4V मिश्र धातु की एकल पटरियों से पता चलता है. के रूप में लेजर शक्ति में वृद्धि और लेजर स्कैन गति को कम करके देखा जा सकता है, एकल पटरियों के आकार में वृद्धि हुई ।

Figure 2
चित्रा 2: जमाव के बाद तिवारी-6Al-4V मिश्र धातु की एकल पटरियों. इन एकल पटरियों अलग लेजर शक्ति और लेजर स्कैन गति पर जमा कर रहे थे और ऊपर से विश्लेषण किया । लेजर पावर बढ़ाने और लेजर स्कैन स्पीड कम करने से उनके आकार में वृद्धि हुई ।

चित्रा 3 जमाव के बाद एकल पटरियों के पार अनुभाग से पता चलता है, और लेजर शक्ति में वृद्धि से, एकल पटरियों की ऊंचाई काफी बढ़ गई. इसके अलावा, एक निरंतर लेजर शक्ति पर लेजर स्कैन गति कम करके, जमाव की ऊंचाई में वृद्धि हुई है, जबकि कम लेजर पावर और बहुत उच्च लेजर स्कैन गति, जमाव की ऊंचाई नगण्य था । पिघल पूल की ऊंचाई के बावजूद, पिघल पूल के अंदर porosity गठन, विशेष रूप से पिघल पूल के इंटरफेस के पास/एक और घटना है जो बयान के बाद पता चला था था ।

Figure 3
चित्रा 3: जमाव के बाद एकल पटरियों के पार अनुभाग. लेजर शक्ति को बढ़ाने और लेजर स्कैन गति को कम करने से, पिघल पूल की ऊंचाई कम हो गई । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

एकल ट्रैक ऊंचाई और भिंन प्रक्रिया पैरामीटर के बीच का संबंध आरेख 4में दिखाया गया है । अलग लेजर स्कैन गति पर एकल पटरियों की ऊंचाई लेजर शक्ति है, जो पता चलता है कि लेजर शक्ति को एक निश्चित बिंदु पर एक सकारात्मक प्रभाव पड़ता है बढ़ाने के द्वारा वृद्धि हुई (चित्र 4a) । हालांकि, उस महत्वपूर्ण बिंदु के बाद, लेजर शक्ति नकारात्मक भी पिघल पूल में बहुत अधिक ऊर्जा के वितरण के कारण जमाव के विकास को प्रभावित करता है । इसके अलावा, यह पाया गया कि के रूप में लेजर स्कैनिंग गति में वृद्धि हुई, पिघलने पूल में ऊर्जा इनपुट कम हो गया था और पाउडर वितरण दर अप्रत्यक्ष रूप से कम हुई थी, और फलस्वरूप जमा ऊंचाई उल्लेखनीय कमी आई (चित्रा 4b) ।

Figure 4
चित्रा 4: एकल ट्रैक आयाम पर विभिन्न प्रक्रिया मापदंडों का प्रभाव. यह स्पष्ट है कि लेजर स्कैनिंग गति बढ़ के रूप में (ख), पिघलने पूल में ऊर्जा इनपुट कम है और पाउडर वितरण दर (क) अप्रत्यक्ष रूप से कमी आई है और फलस्वरूप, जमा ऊंचाई उल्लेखनीय कमी आई है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

इन परिणामों को स्पष्ट रूप से जमा पटरियों की ज्यामिति पर अलग प्रक्रिया मापदंडों के प्रभाव को प्रदर्शित करता है । इस प्रक्रिया में मूल्यवान अंतर्दृष्टि प्रदान करने के बावजूद, जमा ऊंचाई का आकलन अभी भी चुनौतीपूर्ण है, पैरामीटर जो शामिल थे की विविधता के कारण । इस प्रकार, कुछ प्रयासों को जमा ट्रैक की ज्यामिति पर प्रक्रिया मापदंडों के संयोजन के प्रभाव का मूल्यांकन करने के लिए एक नई रणनीति विकसित करने के लिए शुरू किया गया है ।

के रूप में दिखाया गया था, जमा परत की ऊंचाई लेजर शक्ति में वृद्धि से वृद्धि हुई है, और यह है कि यह केवल पैरामीटर पिघलने पूल की ऊंचाई को प्रभावित करता है कि नहीं था समझा गया था । वास्तव में, समय की अवधि में सब्सट्रेट और पिघला हुआ सामग्री, ऊर्जा और पाउडर की एक निश्चित मात्रा में सब्सट्रेट करने के लिए प्रदान किया जाना चाहिए की एक उचित परत जमा की एक दी मात्रा पिघल की जरूरत है । यह ऊर्जा न केवल लेजर पावर और लेजर स्कैन स्पीड से निर्धारित होती है, बल्कि लेजर स्पॉट साइज पर भी विचार किया जाना चाहिए । इस प्रयोजन के लिए, विशिष्ट ऊर्जा घनत्व प्रति इकाई स्थान आकार (ङ) और पाउडर फीड घनत्व (F) की गणना इन मापदंडों के संयोजन के प्रभाव का मूल्यांकन करने के लिए की जाती है.

ई, जो विशिष्ट ऊर्जा घनत्व है, ऊर्जा है कि लेजर द्वारा पिघल पूल में दिया जाता है से पता चलता है, और सिद्धांत में सब्सट्रेट और पाउडर पिघलने के लिए जिंमेदार है । इस ऊर्जा घनत्व के रूप में व्यक्त की है8

Equation 21)

जहां E विशिष्ट ऊर्जा घनत्व प्रति इकाई स्थान आकार है, P लेजर पावर (W) है, v लेज़र स्कैन गति (mm/s) है, और D लेज़र स्थान आकार (mm) है । प्रत्येक धातु सामग्री के लिए एक उपयुक्त जमाव स्तर प्राप्त करने के लिए, वहां ऊर्जा का एक निश्चित स्तर है जो नीचे कोई फ्यूजन बांड प्राप्त किया जा सकता है, और परे है कि कमजोर पड़ने से बहुत बड़ा हो जाता है । एक और पहलू है कि मापदंडों के संयोजन के प्रभाव से पता चलता है पाउडर घनत्व (च) है, जो इस प्रकार के रूप में गणना की जा सकती है8

Equation 32)

यहां, एफ पाउडर फ़ीड घनत्व है, और जी पाउडर खिला दर (जी/

चित्रा 5 विशिष्ट ऊर्जा घनत्व के एक समारोह के रूप में जमा परत ऊंचाई के रूपांतर को दर्शाता है । के रूप में देखा जा सकता है, एकल पटरियों की ऊंचाई विशिष्ट ऊर्जा घनत्व में वृद्धि, जो उच्च लेजर ऊर्जा घनत्व पर उच्च गर्मी इनपुट से संबंधित हो सकता है वृद्धि हुई है । ऊर्जा घनत्व और जमाव की ऊंचाई के बीच अनुभवजंय सहसंबंध निंनानुसार हैं:

ज = १४.९९ ई – १७.८५ (3)

इस समीकरण से, जमा किए गए ट्रैक की ऊंचाई का अनुमान विशिष्ट ऊर्जा घनत्व और इस समीकरण की गणना के माध्यम से लगाया जा सकता है । दूसरी ओर, पाउडर घनत्व के एक समारोह के रूप में जमा ऊंचाई के रूपांतर, जो चित्रा 6में दिखाया गया है, से पता चला है कि पाउडर घनत्व में वृद्धि, जमा ट्रैक की ऊंचाई बढ़ जाती है, और इन के बीच अनुभवजंय संबंध हो सकता है इस प्रकार व्यक्त:

ज = ३८४७७ F – १५७.०६ (4)

इस समीकरण से पता चलता है कि जमा ट्रैक की ऊंचाई पाउडर घनत्व और इस समीकरण की गणना द्वारा गणना की जा सकती है । eq .3 और eq. 4 दिखाएँ कि प्रक्रिया मापदंडों के संयोजन का उपयोग करके और विशिष्ट ऊर्जा घनत्व और पाउडर घनत्व की गणना, यह जमा ऊंचाई पूर्वानुमान करने के लिए संभव है, और फलस्वरूप सबसे अच्छा जमाव की गुणवत्ता को प्राप्त करने के लिए सबसे अच्छा डोमेन मिल.

Figure 5
चित्रा 5: एकल ट्रैक ऊंचाई (एच) बनाम विशिष्ट ऊर्जा घनत्व (ई). एकल पटरियों की ऊंचाई विशिष्ट ऊर्जा घनत्व, जो उच्च लेजर ऊर्जा घनत्व पर उच्च गर्मी इनपुट करने के लिए संबंधित किया जा सकता है बढ़ाने के द्वारा वृद्धि हुई । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 6
चित्रा 6: पाउडर फ़ीड घनत्व (एफ) के एक समारोह के रूप में एकल ट्रैक ऊंचाई (एच) । पावडर फीड घनत्व बढ़ने से जमा हुई पटरी की ऊँचाई बढ़ गई. कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

धातु सामग्री के प्रत्यक्ष ऊर्जा जमाव में, एच (परत ऊंचाई, या ΔZ) एक बहुत ही महत्वपूर्ण कारक है कि जमाव के बाद घटक की गुणवत्ता को प्रभावित करता है । धातु घटकों के पारंपरिक प्रत्यक्ष ऊर्जा जमाव में, जमाव परत की ऊंचाई एक स्थिर माना जाता है और, इसके अलावा घटक और इसकी सामग्री की ज्यामिति से, प्रक्रिया मापदंडों ऐसे लेजर शक्ति और लेजर स्कैनिंग गति थे अंतिम घटक बनाना अनुकूलित । दरअसल, एक निरंतर मोटाई में परतों टुकड़ा करने की क्रिया आमतौर पर प्रक्रिया मापदंडों के अनुरूप नहीं है । इसलिए, इस मोटाई या तो मैंयुअल रूप से या empirically, जो घटक और निर्माण दर की गुणवत्ता बलिदान बदल सकता है । सामांय में, पारंपरिक परत में टुकड़ा करने की क्रिया, पर या जमाव परत मोटाई के विचार में संनिकटन के कारण प्राप्त किया जा सकता है, जो इस तरह के बाद जमाव या मशीनिंग अतिरिक्त परतों के रूप में आगे सुधार की जरूरत है (चित्रा 7a ). इस प्रकार, इस काम में, प्रयास एक नई रणनीति परत मोटाई निर्धारित करने के लिए विकसित किया गया है, प्रक्रिया की स्थिति है जो घटकों के उत्पादन में उपयोग किया जाता है के अनुसार ।

Figure 7
चित्र 7: टुकड़ा करने की क्रिया । (क) पारंपरिक टुकड़ा करने की क्रिया रणनीति, (ख) इष्टतम प्रक्रिया मापदंडों के अनुसार नई टुकड़ा करने की क्रिया रणनीति; परंपरागत परत टुकड़ा करने की क्रिया में, या के तहत जमाव परत मोटाई के विचार में संनिकटन के कारण प्राप्त किया जा सकता है, जो आगे सुधार की जरूरत है, ऐसे बाद के बयान या मशीनिंग अतिरिक्त परतों के रूप में । इस दृष्टिकोण में, घटक के निर्माण के लिए परत मोटाई एक एकल परत दो संयुक्त मापदंडों के विशिष्ट ऊर्जा घनत्व से संबंधित ऊंचाई के अनुसार निर्धारित किया जाता है । E इकाई स्थान आकार प्रति विशिष्ट ऊर्जा घनत्व है, एफ पाउडर फ़ीड घनत्व है, टीरवानगी एकल परत मोटाई है, और टीपरत टुकड़ा मोटाई है ।

वास्तव में, इस दृष्टिकोण में, घटक के निर्माण के लिए परत मोटाई एक एकल परत दो संयुक्त मापदंडों के विशिष्ट ऊर्जा घनत्व से संबंधित ऊंचाई के अनुसार निर्धारित किया जाता है । इस विधि सबूत और घटक और अलग परत मोटाई की गुणवत्ता के बीच सहसंबंध की जांच करने के लिए, कुछ सरल cubes विभिंन ΔZ में बनाया गया था और फिर उनके पार वर्गों का मूल्यांकन किया गया ।

चित्रा 8a -ख बहुपरत-ब्लॉकों के प्रतिनिधि पार वर्गों, जो पारंपरिक विधि के अनुसार उत्पादित किया गया दिखाओ । के रूप में तालिका 2में देखा जा सकता है, टुकड़ा करने की क्रिया रणनीति जो परत मोटाई के रूप में ०.३२५ mm समझता है के अनुसार, आंकड़ा 8a में दिखाया ब्लॉक की वांछित ऊंचाई लगभग 5.2 mm होना चाहिए । हालांकि, पारंपरिक विधि में, अंतिम ऊंचाई १०.११ mm (ओवर-साठा) प्राप्त किया गया था, जो इस प्रक्रिया के दौरान एक उच्च ΔZ (0.6 mm) पर विचार करने का एक परिणाम है । यह अधिक जमाव प्रक्रिया परतों के बीच फ्यूजन की कमी के परिणामस्वरूप, और नमूना अंदर porosity के एक उच्च स्तर । दूसरी ओर, चित्रा 8b दिखाता है कि एक कम ΔZपर विचार करके, वांछित ऊंचाई प्राप्त नहीं किया जा सकता है, और एक लंबे समय से जमाव की प्रक्रिया और अवांछनीय microstructure में यह परिणाम है । इन विसंगतियों का मतलब है कि पारंपरिक विधि में, एक निश्चित मोटाई में परतों टुकड़ा करने की क्रिया आमतौर पर प्रक्रिया मापदंडों के अनुरूप नहीं है, और इस प्रकार वांछित परत मोटाई प्राप्त नहीं किया जा सकता है । ब्लॉक, जो टुकड़ा करने की रणनीति के अनुसार उत्पादन किया गया था की एक पार अनुभाग, चित्र 9में दिखाया गया है । के रूप में एक उपयुक्त ΔZपर विचार के माध्यम से देखा जा सकता है, यह उत्कृष्ट आयामी सटीकता को प्राप्त करने के लिए संभव हो सकता है । हालांकि, आयामी सटीकता उच्च इनपुट ऊर्जा का एक परिणाम है, जो अंतर्निहित परत के पिघलने में परिणाम के रूप में लेजर शक्ति के एक उच्च स्तर पर कम किया जा सकता है । 2 तालिका से पता चलता है कि टुकड़ा करने की क्रिया विधि का उपयोग करके, एक अधिक स्थिर पिघलने पूल स्थिति प्राप्त किया जा सकता है, और फलस्वरूप आयामी सटीकता बढ़ जाती है । चित्रा 9 एक ब्लॉक जो टुकड़ा करने की क्रिया दृष्टिकोण के अनुसार उत्पादन किया जाता है से पता चलता है, और के रूप में एक उपयुक्त ΔZ (~ 0.5 मिमी) का उपयोग करके देखा जा सकता है जमाव की वांछित ऊंचाई प्राप्त की थी ।

Figure 8
चित्रा 8: पारंपरिक विधि द्वारा उत्पादित नमूनों के उदाहरण । टुकड़ा करने की क्रिया रणनीति है जो परत मोटाई के रूप में ०.३२५ mm समझता है के अनुसार, ब्लॉक जो पैनल में दिखाया गया है की वांछित ऊंचाई a लगभग 5.2 mm होना चाहिए । हालांकि, पारंपरिक विधि में, अंतिम ऊंचाई १०.११ mm (ओवर-साठा) प्राप्त किया गया था, जो इस प्रक्रिया के दौरान एक उच्च ΔZ (0.6 mm) पर विचार करने का एक परिणाम है । दूसरी ओर, पैनल बी दिखाता है कि एक कम ΔZपर विचार करके, वांछित ऊंचाई प्राप्त नहीं किया जा सकता है, और एक लंबे समय से जमाव की प्रक्रिया और अवांछनीय microstructure में परिणाम है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 9
चित्र 9: टुकड़ा करने की क्रिया दृष्टिकोण द्वारा गढ़े नमूने का उदाहरण । यह पुष्टि करता है कि एक उत्कृष्ट आयामी सटीकता में एक उचित ΔZ विचार परिणाम है ।

लेजर शक्ति (डब्ल्यू) परत मोटाई (मिमी) परतों की संख्या वांछित ऊंचाई (मिमी) जमा की गई ऊंचाई (मिमी)
परम्परागत विधि 350 ०.३२५ 16 ५.२०६ १०.११४
1500 ०.७५८ 8 ६.०७ ३.४२५
टुकड़ा करने की क्रिया विधि 325 ०.४८५ 5 ७.४३६ ७.२४५

2 तालिका: जमा ऊंचाई और पारंपरिक और टुकड़ा करने की क्रिया तरीकों में वांछित ऊंचाई के बीच तुलना। यह पता चलता है कि टुकड़ा करने की क्रिया विधि का उपयोग करके, एक अधिक स्थिर पिघलने पूल स्थिति और प्राप्त किया जा सकता है, नतीजतन, आयामी सटीकता बढ़ जाती है ।

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Discussion

इस काम में, ध्यान टुकड़ा करने की क्रिया DED की प्रक्रिया में Ti-6Al-4V, पिघल पूल विशेषताओं की ज्यामिति के अनुसार की स्थापना पर था । इस प्रयोजन के लिए, एक दो कदम प्रोटोकॉल परिभाषित और उपयोग किया गया था । प्रोटोकॉल का पहला हिस्सा एक स्कैन जमाव के लिए प्रक्रिया मापदंडों का एक अनुकूलन था और, इस कदम के दौरान, इष्टतम मापदंडों हासिल किए गए थे और पिघल पूल geometries मापा गया । प्रोटोकॉल के दूसरे भाग में, इष्टतम मापदंडों पर नमूनों की विशिष्ट ऊर्जा घनत्व की गणना की गई । इस कदम में, पिघल पूल की ऊंचाई ऊर्जा घनत्व के एक समारोह के रूप में रची गई थी और, इस महत्वपूर्ण कदम में, बहुपरत जमाव के लिए परत मोटाई हासिल किया जा सकता है ।

DED में, के बाद से विभिंन प्रक्रिया मापदंडों परतों की मोटाई में परिवर्तन, एक निरंतर परत मोटाई के साथ परतों के जमाव घटक का एक सटीक ज्यामिति में परिणाम नहीं कर सकते । इसका मतलब है कि बयान के लिए एक निश्चित परत मोटाई पर विचार, प्रक्रिया मापदंडों की परवाह किए बिना, या अधिक से अधिक बयान कि ज्यामितीय त्रुटि में परिणाम और, फलस्वरूप, एक लंबी उत्पादन प्रक्रिया की ओर जाता है । इस जांच का उद्देश्य टुकड़ा करने की क्रिया मोटाई सेटिंग प्रक्रिया, वास्तविक जमा ऊंचाई, और प्रक्रिया की स्थिति के बीच संबंध तलाशने के लिए गया था । यह निष्कर्ष निकाला है कि की ज्यामिति के संयोजन के माध्यम से पूल पिघला और प्रक्रिया मापदंडों, यह संभव होगा इष्टतम परत का निर्धारण करने के लिए समय की एक छोटी अवधि में विशिष्ट प्रक्रिया मापदंडों के साथ जुड़े मोटाई के संबंध में पारंपरिक तरीके ।

टुकड़ा करने की क्रिया रणनीति समीकरण है कि एकल परत विशिष्ट ऊर्जा घनत्व से संबंधित ऊंचाई प्राप्त का उपयोग करता है । अंतिम घटक एक विशिष्ट जमा हालत के लिए एक परत ऊंचाई के अनुसार कटा हुआ है । आदेश में सुझाया विधि सत्यापित करने के लिए, कुछ ब्लॉकों के अनुसार टुकड़ा करने की क्रिया दृष्टिकोण का उत्पादन किया गया । इस शोध के परिणामों से पता चला है कि इस प्रोटोकॉल को रोजगार के द्वारा, यह परत मोटाई, जो मुख्य मापदंडों है कि सही आयामों के साथ एक घटक का निर्माण करने के लिए ठीक से विचार किया जाना चाहिए में से एक है निर्धारित करने के लिए संभव होगा । इस प्रोटोकॉल है कि विचार किया जा सकता है की केवल सीमा सामग्री के प्रकार पर परिणामों की निर्भरता है, और इस प्रकार इस प्रोटोकॉल सामग्री के हर प्रकार के लिए किया जाना चाहिए । इसके अलावा, परत मोटाई सेटिंग की सटीकता बढ़ाने के लिए, पिघल पूल की चौड़ाई भी प्रोटोकॉल में विचार किया जा सकता है । प्रोटोकॉल में सबसे महत्वपूर्ण कदम है कि किसी भी त्रुटि, भी छोटे त्रुटियों, इस चरण में परत मोटाई सेटिंग में एक महत्वपूर्ण त्रुटि में परिणाम हो सकता है पिघल पूल ज्यामिति का माप है ।

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Disclosures

लेखकों का खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

लेखक को यूरोपीय अनुसंधान क्षितिज 2020 अनुसंधान और नवाचार कार्यक्रम बोरेलिस से संबंधित परियोजना को स्वीकार करना चाहेंगे-3 ए ऊर्जा वर्ग के नए Additive और जटिल 3d की अगली पीढ़ी पर उपतंत्र निर्माण के लिए लचीला मशीन धातु पार्ट्स

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Ti-6Al-4V powder Xi’Tianrui new material As starting material
ISOMET precision cutter Bohler To cut the samples
Polishing machine Presi To polish the samples
EpoFix resin Presi To mount the samples
Diamond paste Presi For polishing
Optical Microscope Leica Microstructural observation
Field emission scanning electron microscope Merlin-Zeiss Microstructural observation
Stereo microscope Leica
LEC1- CS444 ANALYSER IncoTest Chemical analysis
LEC3 - ELTRA OHN2000 ANALYSER IncoTest Chemical analysis
LEC2 - LECO TC436AR ANALYSER IncoTest Chemical analysis
ICP IncoTest Chemical analysis
IRB 4600 ABB Antropomorphic robot
GTV PF GTV Powder feeding system
YW 52 Precitec Laser head
Nozzles IRIS Nozzle for feeding powders
YLS 3000 IPG Photonics Laser source

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References

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इंजीनियरिंग अंक 133 निर्देशित ऊर्जा जमाव Ti-6Al-4V पिघल पूल एकल ट्रैक स्कैनिंग गति लेजर पावर
बहुपरत जमाव के लिए परत मोटाई निर्धारित करने के लिए निर्देशित ऊर्जा जमाव से Ti-6Al-4V की एकल पटरियों का उत्पादन
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Saboori, A., Tusacciu, S., Busatto, M., Lai, M., Biamino, S., Fino, P., Lombardi, M. Production of Single Tracks of Ti-6Al-4V by Directed Energy Deposition to Determine the Layer Thickness for Multilayer Deposition. J. Vis. Exp. (133), e56966, doi:10.3791/56966 (2018).

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