הפקה של רצועות יחיד של Ti-6Al-4V על-ידי האנרגיה התצהיר כדי לקבוע את עובי השכבה עבור התצהיר מרובת שכבות

Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

במחקר זה, שיטה מהירה מבוסס על אפיון בריכה להמיס מפותחת כדי להעריך את עובי השכבה של רכיבי Ti-6Al-4V המיוצר על ידי אנרגיה מכוונת התצהיר.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

ביים אנרגיה התצהיר (DED), שהוא שיטת הייצור מוספים, כולל הקמת בריכה מותכת עם קרן לייזר שבו מוזרק אבקת מתכת כמו חלקיקים. באופן כללי, בטכניקה זו משתמשים לפברק או לתקן מרכיבים שונים. בטכניקה זו, המאפיינים הסופי מושפעות מגורמים רבים. אכן, הוא אחד מתפקידיו העיקריים בבניית רכיבים מאת DED אופטימיזציה של תהליך הפרמטרים (כגון עוצמת הלייזר, מהירות לייזר, מיקוד, וכו ') אשר מתבצע בדרך כלל באמצעות חקירה נסיונית נרחב. אולם, זה סוג של ניסוי הוא ארוך ויקר מאוד. לכן, על מנת להאיץ את תהליך אופטימיזציה, חקירה נערך לפתח שיטה המבוססת על אפיוני בריכה להמיס. למעשה, בניסויים אלה, רצועות יחיד של Ti-6Al-4V הופקדו על ידי תהליך DED עם צירופים מרובים של לייזר עוצמה ומהירות לייזר. מורפולוגיה של פני השטח ואת הממדים של רצועות יחיד נותחו, מאפיינים גיאומטריים של בריכות להמיס הוערכו לאחר ליטוש ו תחריט של חתכים. מידע שימושי לגבי הבחירה של האופטימלית תהליך פרמטרים יכולה להיות מושגת על ידי בחינת התכונות בריכה להמיס. ניסויים אלה להיות מורחבות כדי לאפיין את רחובות גדולות יותר עם מספר שכבות. ואכן, כתב יד זה מתאר איך זה ניתן יהיה לקבוע במהירות את עובי השכבה לתצהיר מסיבית, ולהימנע מעל או מתחת בתצהיר על פי צפיפות האנרגיה מחושב של האופטימלית הפרמטרים. מלבד ' מעל או מתחת התצהיר, זמן וחומרים שמירת הם היתרונות הגדולים האחרים של גישה זו שבה ניתן להתחיל בתצהיר של רכיבים מרובת שכבות ללא כל אופטימיזציה פרמטר מבחינת עובי השכבה.

Introduction

Ti-6Al-4V הוא הכי נפוץ Ti סגסוגת במטוס, תעופה וחלל, כלי רכב, ותעשיות ביו בשל יחס חוזק למשקל גבוה, קשיחות שבר מעולה, משקל סגולי נמוך, עמידות מצוינת בפני קורוזיה, חום treatability. עם זאת, מאתגרת את התפתחויות נוספות ביישומים אחרים, בשל מוליכות חום נמוכה והתכונות שלה תגובתיות גבוהה, והתוצאה machinability המסכן שלה. יתר על כן, בשל החום התקשות תופעות במהלך החיתוך, טיפול ספציפי בחום חייב להיות להתבצע1,2,3,4.

למרות זאת, תוסף (AM) בטכנולוגיות ייצור הראה פוטנציאל גדול כדי לשמש טכניקות הייצור החדש יכול להפחית את מחיר וצריכת האנרגיה, ולא להתמודד עם האתגרים הנוכחיים בייצור של Ti-6Al-4V סגסוגת.

טכניקות הייצור מוספים מכונים חדשניים ולא יכולים לפברק צורה נטו ליד רכיבים אופנה שכבה אחרי שכבה. בגישה הייצור מוספים שכבה אחרי שכבה, אשר פרוסות עיצוב תכנון בעזרת מחשב (CAD) מודל לתוך שכבות דק, ואז נבנה את הרכיב שכבה אחרי שכבה, הוא היסוד עבור כל שיטות AM. באופן כללי, ניתן לחלק הייצור מוספים חומרים מתכתיים ארבעה תהליכים שונים: אבקת מיטה, אבקת להאכיל (אבקת מפוצץ), חוט להאכיל ו אחרים מסלולים3,5,6.

בבימויו של אנרגיה התצהיר (DED) הן מחלקה של הייצור מוספים הוא תהליך blown אבקת fabricates תלת מימדי (3D) ליד חלקים מוצק צורה נטו מתוך קובץ CAD דומה לשיטות אחרות AM. לעומת טכניקות אחרות, DED לא ניתן להשתמש רק כשיטת הייצור, אבל גם יכול להיות מועסק טכניקה תיקון עבור חלקים בעלי ערך גבוה. בתהליך DED, חומר אבקה או חוט מתכתי מוזן על ידי המוביל גז או מנועים לתוך הבריכה להמיס, אשר נוצר על ידי הלייזר קרן על אחת את המצע או בעבר להפקיד שכבה. התהליך DED הוא תהליך ייצור מתקדמות מבטיח כי הוא מסוגל להקטין את היחס לקנות-כדי-לעוף, גם הוא מסוגל תיקון חלקים בעלי ערך גבוה שהיו בעבר לחדשו להחליף או בלתי הפיך7.

על מנת להשיג את הממדים גיאומטרי הרצוי ואת תכונות החומר, זה חיוני להקים פרמטרים מתאימים8. מספר מחקרים שבוצעו ליצירת להבהיר את הקשר בין הפרמטרים תהליך של מאפייני המדגם הופקדו הסופי. . Peyre et al. 9 כמה קירות דקים עם פרמטרים שונים ולאחר מכן שאפיינה אותם באמצעות profilometry 2D and 3D. הם הראו כי שכבת עובי ונפח בריכה להמיס להשפיע על הפרמטרים חספוס באופן ניכר. Vim ואח. 10 הציע מודל על מנת לנתח את הקשר בין תהליך פרמטרים מאפיינים גיאומטריים של שכבת חיפוי יחיד (גובה בלבוש, בלבוש רוחב ועומק של חדירה).

נכון להיום, מספר מחקרים על DED של Ti סגסוגות דווחו, ביותר אשר התמקדו השפעת השילוב של פרמטרים על המאפיינים של דגימות מסיבית11,12,4. Rasheedat et al. למד את ההשפעה של קצב הזרימה אבקת ומהירות סריקה על מאפייני וכתוצאה מכך לייזר הופקדו Ti-6Al-4V סגסוגת מתכת. הם מצאו כי על ידי הגדלת מהירות סריקה של אבקת קצב הזרימה מיקרו שינתה מן Widmanstätten מיקרו martensitic, כשהתוצאה היא תוספת קבועה של חספוס פני השטח, את microhardness של הפקיד דגימות7. יחד עם זאת, פחות תשומת לב הוקדשה עיצוב הגדרת עובי השכבה. צ'וי ואח. יש חקר הקשר בין עובי השכבה לבין תהליך פרמטרים. הם מצאו כי המקורות העיקריים של שגיאה בין הגובה הנוכחי הגובה בפועל הם אבקת זרימת מסה וקצב שכבה בעובי הגדרת13. המחקרים שלהם לא ליישם כהלכה הגדרת עובי השכבה כי הם מעורבים תהליכים ארוכים ולא מדויקות בקביעת עובי השכבה. Ruan ואח. חקרו את השפעת המהירות על הגובה שכבה הפקיד עוצמת הלייזר מתמדת, אבקת האכלה שיעור14סריקת לייזר. הם הציעו כמה מודלים אמפיריים להגדרת עובי השכבה אשר התקבלו בתנאים עיבוד ספציפי, ולכן ההגדרה עובי השכבה ויתכן שלא יהיה מדויק בשל הניצול של תהליך ספציפי פרמטרים15. בניגוד עבודות קודמות, עובי השכבה הגדרת תהליך הציע בכתב היד היא שיטה מהירה אשר יכול להתבצע מבלי לבזבז זמן וחומרים.

המוקד העיקרי של עבודה זו היא לפתח שיטה מהירה לקביעת עובי השכבה בהתבסס על מאפייני המסילה יחיד של הסגסוגת Ti-6Al-4V-אופטימום DED תהליך פרמטרים. לאחר מכן, הפרמטרים של האופטימלית תהליך מועסקים כדי לקבוע את עובי השכבה, הרכיבו בלוקים Ti-6Al-4V בצפיפות גבוהה מבלי לבזבז זמן וחומרים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. אבקת אפיון

  1. לשים 3 גר' החל Ti-6Al-4V אבקות בקלטת פחמן דביק דו-צדדי, אשר ממוקם על ספח pin אלומיניום, להוסיף בתוך תא הדגימה של פליטת שדה לסרוק בעזרת מיקרוסקופ אלקטרון (FESEM) כדי לנתח את המורפולוגיה של אבקת ה-16.
  2. למדוד צפיפות לכאורה של האבקה על-ידי מילוי מיכל3 30 ס מ, למדוד את המשקל של אבקת לפי תקן ASTM-B212.
  3. לבצע ניתוח כימי של הפעלת ולהשתמש באבקה (5-10 גרם), אבקת (5-10 גרם), הופקדו בלוק (20 גרם) באמצעות היסודות (למשל, Leco) ועל inductively בשילוב פלזמה (ICP) מנתח17.

2. האנרגיה בתצהיר של רצועות יחיד

  1. אבקת טעינה
    1. ללבוש ציוד מגן אישי, כולל מסכת נשימה FFP3 תואם לדרישות של EN 149, ללא אבקת חד פעמיות nitrile כפפות, משקפי מגן פלסטיק.
    2. לפתוח את הופר של האבקה מערכות האכלה ולהשתמש ונטה (למשל, ATEX) עבור הסרת את אבקות שיורית.
    3. להסיר הופר על-ידי ביצוע ההוראות המתאימות שניתנו על ידי הבנאי ולנקות כל רכיב באמצעות מגבות נייר ספוג אתנול.
      הערה: השלב זה מהותי כדי למנוע זיהום על ידי סוגים שונים של אבקות מתכת.
    4. להרכיב מחדש את האבקה האכלה הופר על-ידי ביצוע ההוראות שניתנו על-ידי הבנאי. השאר בצד רק הכיפה העליונה של הופר על מנת לבצע את הטעינה של האבקה.
    5. לטעון את הופר עם אבקות Ti-6Al-4V שיש ברמת גסות בטווח של 50-150 מיקרומטר. בהתאם לגודל של הופר זמין, למלא אותו לחלוטין.
    6. סגור את הכובע העליון של הופר בחוזקה על מנת למנוע כל דליפת גז.
  2. הכנת המדגם
    1. בחר גיליון Ti-6Al-4V עם מידות 50 מ"מ x 50 מ"מ, עובי 4 מ מ.
    2. לנקות את השטח של גיליון טיטניום עם מגבות נייר ספוג אתנול. למדוד את המשקל של הגיליון עם מאזן centesimal.
    3. מניחים את הסדין על אזור העבודה בהתאם למיקום של דה מרקר. אזור העבודה היא איפה התצהיר יתקיים, כך נקבע לפי הנתיב מתוכנתים של הרובוט.
  3. הכנה של הרובוט, הכנת הציוד התצהיר
    1. הר הזרבובית על הראש לייזר כך הזווית בין הציר זרבובית לציר לייזר הוא 35°.
    2. הזז את הרובוט לנקודת עבודה ההתחלה כדי לבצע את הכיול.
    3. לבדוק את המרחק בין הצינור המטוס לעבוד ולתקן, במידת הצורך, ידנית את מיקום הצינור עד המרחק שנמדד הוא 5 מ מ.
      הערה: מאז אזור העבודה מטילה על מישור אופקי, במרחק הזה הוא המרחק האנכי בין משטח המתכת קצה הזרבובית.
    4. בדוק את מרכוז של השקע זרבובית עם הלייזר: ראשית, לעבור על המדריך לייזר על-ידי לחיצה על הפקודה "לייזר מדריך על" על תוכנת שליטה של הלייזר. אז, לשים מוט דק, מדידת 0.8 מ מ קוטר ו-200 מ מ אורך, בתוך הצינור. ודא כי קצה המוט ואת המקום של המדריך לייזר חופפות. אם לא, כוונן באופן ידני את המיקום של הנחיר, כיבוד מרחקים וזוויות שצוינו קודם לכן.
      הערה: במקרה זה, הקוטר החיצוני של הצינור הוא 1 מ מ; אם מועסק זרבובית בקוטר קטן יותר, השתמש מוט בקוטר הוא קטן יותר מזה של הצינור.
    5. לאמת את הנתונים כיול שיכתבו את תוכנת שליטה הרובוט: לחץ על כפתור "החל" על התוכנה, ולחכות ההידור של הקוד.
      הערה: התוכנה לבדוק שגיאות בקוד ה; אם לא נמצאו שגיאות, הקוד מאוחסן בבקר רובוט. אם נמצאו שגיאות, לא יהיה הידור הקוד, בהמשך יהיה צורך מהדורה.
    6. להפעיל את המודול מקור לייזר על-ידי לחיצה על הפקודה 'הפעל לייזר' על תוכנת שליטה לייזר.
      הערה: מקור לייזר מועסקים הוא לייזר סיבים רציף פולטות באזור אינפרא-אדום (1064 ננומטר) עם 5 קילוואט חשמל מרבית.
    7. להפעיל המנועים של הרובוט על ידי באופן ידני ללחוץ על הכפתור "הרובוט מנועים על" על השידה הבקרה של הרובוט, ולבדוק כי הבטיחות הקשורים LED מואר: אם אז זה אומר כי המנועים מופעלים.
  4. להתחיל בתהליך דפוזיציה
    1. בחר את הקובץ המתאים על רשימת התוכניות הקיימות, לטעון את נתיב העבודה לתוך השגרה רובוט הראשי.
    2. בדוק את הפרמטרים לייזר ורובוט: להגדיר את עוצמת הלייזר את עוצמת הלייזר ספציפי (325, 650, 980, 1500 W) ומהירות רובוט במהירות הנתונה (30, 40, 50, 60 מ מ/s).
      הערה: פרמטרים אלה נכתבות לתוך התוכנה הבקרה של הרובוט, בהתאם לשפה ספציפית של המכונה.
    3. לאשר את הפרמטרים חדש על-ידי לחיצה על כפתור "החל" התוכנה, ולחכות ההידור של הקוד. התוכנה לבדוק שגיאות בקוד ה; אם לא נמצאו שגיאות, הקוד מאוחסנים של בקר הרובוט, וזה שחיכינו. הפעל את השגרה רובוט על-ידי לחיצה על לחצן "התחל" תוכנת שליטה הרובוט.
  5. לאסוף את הדגימה באמצעות את אוחז מיוחד, לנקות את השטח מדגם מגבת נייר ספוג אתנול להסרת שאריות אבקה.

3. לנתח את הרצועות אחת

  1. לנתח את הרצועות אחת מלמעלה על ידי מיקרוסקופ סטריאו בהגדלה X 5.
    הערה: בשלב זה, כמה תמונות שצולמו במיקרוסקופ סטריאו, ניתח באופן חזותי.
  2. חותכים את הרצועות אחת מהאמצע של המסילה הופקדו בניצב לכיוון התצהיר באמצעות כלי חיתוך מדויק.
  3. הר חתך הרוחב של המסלולים יחיד שרף אפוקסי. בחר ספל הרכבה ולמקם את הדגימה נקי ויבש בתוכו. למדוד את הסכומים נכונים של שרף בקפידה לפי משקל (10 גר' דוגמה), ואז מערבבים עם במינראליים נוזלי (6 g/דוגמה). שופכים את התערובת-שרף הדגימה ולהשאיר את הכוסות מלאות הרכבה לרפא למשך 30 דקות בטמפרטורת החדר. לאחר מכן, לטחון דגימות נטענים עם 500, 800 נייר SiC בגודל של חצץ 1,200 ולאחר מכן פולנית באמצעות יהלום הדבק אל הגדלים עדינה יותר של חלקיקי יהלום (1 מיקרומטר).
  4. לנתח את משטחים מלוטשים מבחינת הצורה, נקבוביות באמצעות מיקרוסקופ אופטי. לרכוש התמונות של בריכות להמיס עם מיקרוסקופ אופטי בהגדלה X 10 ולאחר מכן לנתח אותם באמצעות תוכנה תמונה-J.
  5. למדוד את גובהם של בריכות להמיס על ידי מדידת המרחק בין העליון והתחתון של הבריכה להמיס. לאחר מכן, להתוות את הגובה נמדד של בריכות להמיס כפונקציה של צפיפות אנרגיה ספציפיים, אשר מחושב לפי המשוואה המתאימה שלו. אכן, צפיפות האנרגיה יכול להיות מחושב על ידי המשוואה הבאה:
    Equation 1
  6. מתאים צו 2nd פולינום על תוצאות הניסוי כדי לקבל את המשוואה התואם עובי השכבה כפונקציה של צפיפות אנרגיה ספציפיים.
  7. שקול צפיפות אנרגיה ספציפיים, לחשב את עובי השכבה על פי מערכת היחסים שלהם, אשר נצפתה בשלב הקודם.
  8. כדי לוודא את השיטה, לפברק בלוק רב שכבתי על ידי התחשבות בעובי השכבה מחושב ולאחר מכן לאפיין את המקטע של בלוקים במונחים של נקבוביות והגובה הסופי.
  9. ניתוח של מיקרו של גוש מפוברק לאחר ליטוש להתערב בתהליך שפורט בסעיף 3.3. למעשה, לאחר הליטוש הסופי, לחרוט את הדגימות ב-30 s עם ריאגנט של קרול, אשר מכיל mL 92 מזוקקים מים 6 מ ל חומצה חנקתית, 2 מ ל חומצה הידרופלואורית.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ללימודים ניסיונית, לא סדיר אבקת Ti-6Al-4V עם גודל ממוצע של 50-150 מיקרומטר וצפיפות לכאורה של 1.85 גרם/ס"מ3 הועסק הפקדת חומר (איור 1). ניתוח כימי של האבקה אישר כי תכולת חמצן, חנקן האבקה לא השתנה לפני ואחרי תהליך התצהיר, ואילו בשני המקרים תכולת החמצן היה גבוה יותר מאשר תכולת החמצן הרגיל של Ti-6Al-4V אבקת הייצור מוספים (< 0.13%). עם זאת, התוכן חמצן, חנקן של הרכיבים בצובר גדל אחרי העדות.

Figure 1
איור 1: החל Ti-6Al-4V אבקת משמש הפקדת חומר. . זה אבקה לא סדיר עם גודל ממוצע של 100-150 מיקרומטר וצפיפות לכאורה של 1.85 g/ס מ3.

C S Al Fe H N O V Ti
אבקת סוכר 0.017 < 0.001 5.83 0.08 0.013 0.022 0.23 3.89 Bal.
אבקת משומש 0.016 < 0.001 5.86 0.08 0.012 0.02 0.22 3.87 Bal.
רכיב בצובר 0.021 0.001 5.78 0.08 0.012 0.058 0.28 3.8 Bal.
תקן < 0.08 -- 5.5-6.5 < 0.25 < 0.012 < 0.05 < 0.13 3.5-4.5 Bal.

טבלה 1: ההרכב הכימי של Ti-6Al-4V אבקת לפני ואחרי התצהיר (משקל אחוז). זה מראה כי תכולת חמצן, חנקן האבקה אינם משתנים לפני ואחרי תהליך התצהיר, ואילו בשני המקרים תכולת החמצן הוא גבוה יותר מאשר תכולת החמצן הרגיל של Ti-6Al-4V אבקת לייצור תוסף.

איור 2 מראה המסילה יחיד של Ti-6Al-4V סגסוגת לאחר התצהיר-עוצמת הלייזר השונות לייזר מהירות הסריקה. כפי שניתן לראות על ידי את עוצמת הלייזר ולהקטנה מהירות סריקת לייזר, בגודל של רצועות יחיד גדל.

Figure 2
איור 2: יחיד רצועות של הסגסוגת Ti-6Al-4V לאחר התצהיר. הרצועות יחיד היו שהופקדו על עוצמת הלייזר שונים ומהירות סריקה בלייזר וניתח מלמעלה. מאת את עוצמת הלייזר ולהקטנה הלייזר לסרוק במהירות, הגדלים שלהם גדל.

איור 3 מראה את חתך של רצועות יחיד אחרי העדות, על ידי הגברת את עוצמת הלייזר, גובה הרצועות יחיד גדל במידה ניכרת. יתר על כן, על ידי הפחתת המהירות סריקת לייזר-כוח לייזר מתמדת, הגובה של התצהיר מוגברת בזמן, ב לייזר נמוך עוצמה ומהירות סריקה גבוהה מאוד לייזר, גובה התצהיר היה זניח. למרות הגובה של הבריכה להמיס, היווצרות נקבוביות בתוך הבריכה להמיס, בפרט בקרבת הממשק של אזור אזור בריכה/פיוז'ן להמיס, היה תופעה נוספת אשר נתגלה אחרי העדות.

Figure 3
איור 3: חתך רוחב של רצועות יחיד אחרי העדות. על ידי הגברת את עוצמת הלייזר, להקטין את מהירות סריקת לייזר, הגובה של הבריכה להמיס ירד. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

היחס בין הגובה ברצועה בודדת תהליך שונה פרמטר מוצג באיור4. הגובה של רצועות יחיד במהירויות סריקת לייזר שונים מוגברת על ידי הגברת את עוצמת הלייזר, אשר טוען כי עוצמת הלייזר עד נקודה מסוימת יש השפעה חיובית על הגובה התצהיר (איור 4a). עם זאת, לאחר הנקודה הקריטית הזו, עוצמת הלייזר משפיע באופן שלילי צמיחת בתצהיר עקב המשלוח של אנרגיה רבה מדי אל תוך הבריכה להמיס. יתר על כן, נמצא כי ככל הלייזר סריקה מהירות מוגברת, האנרגיה המושקעת בבריכה ההיתוך צומצם, קצב משלוח אבקת בעקיפין ירדו ואת כתוצאה מכך גובה ההפקדות ירד במידה ניכרת (איור 4b).

Figure 4
איור 4: השפעת פרמטרים שונים על מסלול יחיד ממד. ברור כי ככל הלייזר סריקה מהירות מוגברת (b), האנרגיה המושקעת בבריכה ההיתוך מצטמצם אבקת משלוח קצב (א) הוא בעקיפין ירד, אפוא, גובה ההפקדות ירד במידה ניכרת. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

תוצאות אלה בבירור להדגים את השפעת פרמטרים שונים על הגיאומטריה של רצועות הופקדו. למרות מספק תובנות בעלות ערך לתוך התהליך, ההערכה של גובה ההפקדות הוא עדיין מאתגר, עקב מגוון רחב של פרמטרים אשר היו מעורבים. לפיכך, המאמצים שבוצעו ליצירת לפתח אסטרטגיה חדשה כדי להעריך את השפעת השילוב של תהליך פרמטרים על הגיאומטריה של המסלול הופקדו.

כפי שהוצג, הגובה של שכבה הפקיד מוגברת על ידי הגברת את עוצמת הלייזר, היה מובן שהיה זה לא הפרמטר היחיד אשר משפיע על הגובה של הבריכה נמס. למעשה, בתוך תקופת הזמן הדרושה כדי להמיס נפח נתון של המצע להפקיד רובד המתאים של חומר מותך, כמות מסוימת של אנרגיה, אבקת צריך להינתן על המצע. אנרגיה זו לא נקבע רק על-ידי עוצמת הלייזר ומהירות סריקה בלייזר, אבל גם יש לקחת בחשבון את גודל ספוט לייזר. למטרה זו, מחושבת צפיפות האנרגיה ספציפיים לכל יחידה בגודל נקודה (E) ואבקת להאכיל צפיפות (נ) כדי להעריך את השפעת השילוב של פרמטרים אלה.

E, אשר הוא צפיפות האנרגיה ספציפיים, מציג האנרגיה מועברת לתוך הבריכה להמיס על ידי הלייזר, באופן עקרוני אחראי נמס את המצע ואת אבקת. צפיפות אנרגיה זו מבוטאת כ- 8

Equation 2(1)

כאשר E היא צפיפות האנרגיה ספציפיים לכל יחידה בגודל נקודה, P מייצג עוצמת הלייזר (W), v היא מהירות סריקת לייזר (מ מ/s), ו- D הוא בגודל נקודה לייזר (מ מ). על מנת להשיג רמת התצהיר המתאימה עבור כל חומר מתכתי, יש רמה מסוימת של אנרגיה למטה אשר יכולה להיות מושגת ללא חוב פיוז'ן, מעבר לזה הדילול הופך לגדול מדי. גורם נוסף המציג את השפעת השילוב של פרמטרים הוא צפיפות אבקת (F), אשר יכול להיות מחושב כדלקמן8

Equation 3(2)

כאן, F הוא האבקה להאכיל צפיפות, G הוא האבקה האכלה קצב (g/s).

איור 5 מדגים את הווריאציה של שכבה הפקיד גובה כפונקציה של צפיפות אנרגיה מסוים. כפי שניתן לראות, גובה הרצועות יחיד מוגברת על ידי הגדלת צפיפות האנרגיה ספציפיים, אשר יכול להיות קשור הקלט חום גבוה-צפיפות האנרגיה לייזר גבוהה יותר. המתאם אמפירי בין צפיפות האנרגיה, ואת הגובה של התצהיר הן כדלקמן:

h = 14.99 E-17.85 (3)

ממשוואה זו, הגובה של המסלול הופקדו יכול להיות מוערך דרך חישוב צפיפות האנרגיה ספציפי של המשוואה הזו. מצד שני, הווריאציה של גובה ההפקדות כפונקציה של אבקת צפיפות, אשר מוצג באיור 6, הראה כי על ידי הגדלת הצפיפות אבקת, הגובה של המסלול הופקדו גדל, הקשר אמפירי בין אלה יכולים להיות לידי ביטוי כדלקמן:

h = 38477 ו' – 157.06 (4)

המשוואה הזו מראה כי ניתן לחשב את הגובה של המסלול הופקדו על-ידי חישוב צפיפות אבקה של המשוואה הזו. הציוד 3 ו- 4 הציוד מראים באמצעות השילוב של תהליך פרמטרים, חישוב צפיפות אנרגיה ספציפיים וצפיפות אבקת, וזה האפשרות תחזית גובה ההפקדות, אפוא למצוא את התחום הטוב ביותר כדי להשיג את האיכות הטובה ביותר של התצהיר.

Figure 5
איור 5: גובה מסלול יחיד (h) לעומת צפיפות אנרגיה ספציפיים (ה). הגובה של רצועות יחיד מוגברת על ידי הגדלת צפיפות האנרגיה ספציפיים, אשר יכול להיות קשור הקלט חום גבוה-צפיפות אנרגיה גבוהה יותר של לייזר. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 6
איור 6: מסלול יחיד גובה (h) כפונקציה של אבקת להאכיל צפיפות (נ)- על ידי הגדלת את האבקה להאכיל צפיפות, הגובה של המסלול הופקדו גדל. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

בעדות ישיר אנרגיה חומרים מתכתיים, h (גובה השכבה, או ΔZ) היא גורם חשוב מאוד משפיע על האיכות של רכיב אחרי העדות. בתצהיר קונבנציונאלי ישיר אנרגיה של רכיבים מתכתיים, הגובה של השכבה התצהיר נחשב קבוע והיו, מלבד הגיאומטריה של רכיב בחומר שלה, הפרמטרים תהליך כזה עוצמת הלייזר, סריקת מהירות לייזר אופטימיזציה כדי לפברק את הרכיב הסופי. אכן, חותך את השכבות בעובי קבועה בדרך כלל תואם הפרמטרים תהליך. לכן, עובי זו עשויה להשתנות באופן ידני או מדעית, אשר מקריב את האיכות של רכיב וקצב ייצור. באופן כללי, בקונבנציונלית שכבה פורסים, deposition נגמר או תחת יכול להיעשות עקב הערכות על השיקול של עובי השכבה, אשר צריך תיקונים נוספים כגון התצהיר עוקבות או עיבוד שבבי של שכבות נוספות (איור 7 א ). לפיכך, בעבודה זאת, מאמץ כבר התחייבה לפתח אסטרטגיה חדשה כדי לקבוע את עובי השכבה, בהתאם לתנאי התהליך אשר משמשים לייצור רכיבים.

Figure 7
איור 7: חותך. (א) אסטרטגיה עם פרוסות קונבנציונאלי, (b) חדש עם פרוסות אסטרטגיה לפי הפרמטרים התהליך האופטימלי; ב קונבנציונלית שכבה פורסים, deposition נגמר או תחת יכול להיעשות עקב הערכות על השיקול של עובי השכבה, אשר צריך תיקונים נוספים, כגון התצהיר עוקבות או עיבוד שבבי של שכבות נוספות. בגישה זו, עובי השכבה על הזיוף של רכיב נקבע על פי גובה שכבה אחת הקשורה צפיפות האנרגיה ספציפי של שני פרמטרים משולב. E הוא צפיפות האנרגיה ספציפיים לכל יחידה בגודל נקודה, F הוא האבקה להאכיל צפיפות, tdep הוא עובי שכבה אחת ולאחר tשכבה הוא עובי הפרוסה.

למעשה, בגישה זו, עובי השכבה על הזיוף של רכיב נקבע על פי גובה שכבה אחת הקשורה צפיפות האנרגיה ספציפי של שני פרמטרים משולב. הוכחה בשיטה זו ולבדוק את הקשר בין האיכות של הרכיב ועובי שכבת שונה, קצת קוביות פשוטים נבנו ב ΔZ שונים, ואז הוערכו שלהם חתכי רוחב.

איור 8a -b הצג את חתכי רוחב נציג של multilayer-בלוקים, אשר הופקו על פי השיטה המקובלת. כפי שניתן לראות בטבלה 2, על פי האסטרטגיה עם פרוסות הרואה מ"מ 0.325 כמו בעובי השכבה, הגובה הרצוי של גוש שמוצג באיור 8a צריך להיות כ- 5.2 מ מ. עם זאת, בהשיטה המקובלת, הגובה הסופי של 10.11 מ מ (יתר בתצהיר) הושג, וזו תוצאה של בהתחשב גבוהה ΔZ (0.6 מ"מ) במהלך התהליך. תהליך זה בתצהיר יתר כתוצאה חוסר היתוך בין השכבות, רמה גבוהה של נקבוביות בפנים הדגימה. מצד שני, איור 8 ב' ממחיש זאת בהתחשב נמוכה ΔZלא ניתן להשיג את הגובה הרצוי, התוצאה תהליך ארוך התצהיר מיקרו לא רצויים. סתירות אלו לרמז כי בהשיטה המקובלת, עם פרוסות השכבות בעובי קבוע בדרך כלל תואם הפרמטרים תהליך, ולכן לא ניתן להשיג את עובי השכבה הרצויה. חתך רוחב של הבלוק, אשר הופק על-פי האסטרטגיה עם פרוסות, מוצג באיור9. כפי שניתן לראות דרך בהתחשב המתאים של ΔZ, זה יכול להיות אפשרי להשיג דיוק מידותיו מעולה. עם זאת, ניתן להקטין את הדיוק תלת-ממדי ברמה גבוהה של עוצמת הלייזר כתוצאה קלט אנרגיה גבוהה, כשהתוצאה היא כור ההיתוך של השכבה הבסיסית. בטבלה 2 מראה על-ידי שימוש בשיטת עם פרוסות, יציבה יותר התכה מיקום הבריכה יכולה להיות מושגת, וכתוצאה מכך מגביר הדיוק תלת-ממדי. איור 9 מציגה בלוק אשר מופק בגישה עם פרוסות, וכפי שניתן לראות על-ידי שימוש הולם ΔZ (~ 0.5 מ מ) הגובה הרצוי של התצהיר הושג.

Figure 8
איור 8: דוגמאות של דגימות המיוצר על ידי השיטה המקובלת. על פי האסטרטגיה עם פרוסות הרואה מ"מ 0.325 כמו העובי שכבה, הגובה הרצוי של בלוק אשר מוצג בלוח צריך להיות כ- 5.2 מ מ. עם זאת, בהשיטה המקובלת, הגובה הסופי של 10.11 מ מ (יתר בתצהיר) הושג, וזו תוצאה של בהתחשב גבוהה ΔZ (0.6 מ"מ) במהלך התהליך. מצד שני, פאנל b ממחיש כי בהתחשב נמוך של ΔZ, הגובה הרצוי אינה יכולה להיות מושגת, התוצאה תהליך ארוך התצהיר מיקרו לא רצויים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 9
איור 9: דוגמה של מדגם מפוברק על ידי הגישה עם פרוסות. זה מאשר כי שיקול ראוי ΔZ תוצאות דיוק מימדי מעולה...

עוצמת הלייזר (W) עובי השכבה (מ מ) מספר השכבות גובה הרצויה (מ מ) הפקיד גובה (מ מ)
השיטה המקובלת 350 0.325 16 5.206 10.114
1500 0.758 8 6.07 3.425
שיטת חיתוך 22T 0.485 5 7.436 7.245

בטבלה 2: השוואה בין גובה ההפקדות לבין גובה הרצויה בשיטות קונבנציונליות, עם פרוסות. זה מראה על-ידי שימוש בשיטת עם פרוסות, יציבה יותר התכה מיקום הבריכה יכולה להיות מושגת, כתוצאה מכך, מגדיל הדיוק תלת-ממדי.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

בעבודה זאת, הפוקוס היה על הגדרת עובי חיתוך בתהליך DED של Ti-6Al-4V, לפי הצורה הגיאומטרית של מאפייני בריכה להמיס. למטרה זו, פרוטוקול שני שלבים מוגדרים, מנוצל. החלק הראשון של הפרוטוקול היה לאופטימיזציה של תהליך פרמטרים עבור סריקה בודדת התצהיר, במהלך שלב זה, הפרמטרים אופטימום הושגו, גיאומטריות בריכה להמיס נמדדו. בחלק השני של הפרוטוקול, צפיפות האנרגיה ספציפי של דגימות בכל הפרמטרים אופטימום מחושב. בשלב זה, הגובה של הבריכה להמיס סומן כפונקציה של צפיפות אנרגיה, בשלב קריטי זה, ניתן להשיג את עובי השכבה לתצהיר מרובת שכבות.

ב DED, מאז פרמטרים שונים של תהליך לשנות את עובי שכבות, בתצהיר של שכבות עם עובי השכבה קבוע לא יכול לגרום צורות גאומטריות מדויקות של הרכיב. זה אומר כי בהתחשב שכבה קבוע עובי עבור התצהיר, ללא קשר תהליך פרמטרים, מוביל אל תחת - או over - deposition שנוצר בטעות גיאומטריים, וכתוצאה מכך, תהליך ייצור ארוך. מטרת החקירה הזאת הייתה לחקור את היחסים בין ההליך עם פרוסות של הגדרת עובי, גובה ההפקדות בפועל את התנאים תהליך. הוא היה הסיקו באמצעות השילוב של הגיאומטריה של הפרמטרים בריכה ותהליך להמיס, שזה יהיה אפשר לקבוע את עובי השכבה אופטימום המשויך הפרמטרים תהליך מסוים תוך תקופה קצרה של זמן ביחס שיטות מסורתיות.

האסטרטגיה עם פרוסות משתמש המשוואות זה להשיג את הגובה בשכבה יחידה הקשורים צפיפות האנרגיה ספציפיים. הרכיב הסופי הוא חתוכים לפי הגובה שכבה אחת על תנאי depositing ספציפי. על מנת לוודא את שיטת המוצע, כמה רחובות יוצרו בגישה עם פרוסות. תוצאות מחקר זה הראו כי בהחלת פרוטוקול זה, שזה יהיה אפשרי לקבוע את עובי השכבה, אשר הוא אחד הפרמטרים העיקריים שיש להתייחס בצורה נכונה כדי לבנות רכיב עם מידות מדויקות. המגבלה היחידה של פרוטוקול זה עשוי להיחשב התלות של התוצאות סוג החומר, ובכך פרוטוקול זה צריך להתבצע עבור כל סוג של חומר. בנוסף, כדי להגביר את הדיוק של הגדרת עובי השכבה, הרוחב של הבריכה להמיס יכול גם להיחשב בפרוטוקול. הצעד החשוב ביותר בפרוטוקול זה המדד של הגיאומטריה בריכה להמיס כל כך שכל שגיאה, שגיאות אפילו קטן, בשלב זה עלול לגרום לשגיאת משמעותי בקביעת עובי השכבה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgments

המחברים, הייתי רוצה להכיר את פרויקט המחקר האירופית השייכים לתוכנית אופק 2020 מחקר וחדשנות Borealis - מחלקת האנרגיה 3A מכונת גמיש עבור תוסף חדש וייצור מופחתים על הדור הבא של תלת-ממד מורכבים חלקי מתכת

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Banerjee, D., Williams, J. C. Perspectives on Titanium Science and Technology. Acta Mater. 61, (3), 844-879 (2013).
  2. Peters, M. Titanium and Titanium Alloys. Leyens, C., Peters, M. WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. (2003).
  3. Lin, J., Lv, Y., Liu, Y., et al. Microstructural evolution and mechanical property of Ti-6Al-4V wall deposited by continuous plasma arc additive manufacturing without post heat treatment. J Mech Behav Biomed Mater. 69, (December 2016), 19-29 (2017).
  4. Saboori, A., Gallo, D., Biamino, S., Fino, P., Lombardi, M. An Overview of Additive Manufacturing of Titanium Components by Directed Energy Deposition: Microstructure and Mechanical Properties. Appl Sci. 7, (9), (2017).
  5. Wu, X., Liang, J., Mei, J., Mitchell, C., Goodwin, P. S., Voice, W. Microstructures of laser-deposited Ti-6Al-4V. Mater Des. 25, (2), 137-144 (2004).
  6. Trevisan, F., Calignano, F., Aversa, A., et al. Additive manufacturing of titanium alloys in the biomedical field: processes, properties and applications. J Appl Biomater Funct Mater. In-Press (2017).
  7. Mahamood, R. M., Akinlabi, E. T. Scanning speed and powder flow rate influence on the properties of laser metal deposition of titanium alloy. Int J Adv Manuf Technol. 91, (5-8), (2017).
  8. Shim, D., Baek, G., Seo, J., Shin, G., Kim, K., Lee, K. Effect of layer thickness setting on deposition characteristics in direct energy deposition ( DED ) process. Opt Laser Technol. 86, 69-78 (2016).
  9. Gharbi, M., Peyre, P., Gorny, C., et al. Influence of various process conditions on surface finishes induced by the direct metal deposition laser technique on a Ti-6Al-4V alloy. J Mater Process Technol. 213, (5), 791-800 (2013).
  10. Davim, J. P., Oliveira, C., Cardoso, A. Predicting the geometric form of clad in laser cladding by powder using multiple regression analysis (MRA). Mater Des. 29, (2), 554-557 (2008).
  11. Kobryn, P. A., Moore, E. H., Semiatin, S. L. The Effect Of Laser Power And Traverse Speed On Microstructure, Porosity, And Build Height In Laser-Deposited Ti-6Al-4V. Scripta Materialia. 43, 299-305 (2000).
  12. Bi, G., Gasser, A., Wissenbach, K., Drenker, A., Poprawe, R. Characterization of the process control for the direct laser metallic powder deposition. Surf Coatings Technol. 201, (6), 2676-2683 (2006).
  13. Choi, J., Chang, Y. Characteristics of laser aided direct metal/material deposition process for tool steel. Int J Mach Tools Manuf. 45, (4-5), 597-607 (2005).
  14. Ruan, J., Tang, L., Liou, F. W., Landers, R. G. Direct Three-Dimensional Layer Metal Deposition. J Manuf Sci Eng. 132, (6), 64502-64506 (2010).
  15. Chen, X., Tao, Z. Maximum thickness of the laser cladding. Key Eng Mater. 46, 381-386 (1989).
  16. Slotwinski, J. A., Garboczi, E. J., Stutzman, P. E., Ferraris, C. F., Watson, S. S., Peltz, M. A. Characterization of Metal Powders Used for Additive Manufacturing. J Res Natl Inst Stand Technol. 119, 460-493 (2014).
  17. Manfredi, D., Calignano, F., Krishnan, M., Canali, R., Ambrosio, E. P., Atzeni, E. From Powders to Dense Metal Parts: Characterization of a Commercial AlSiMg Alloy Processed through Direct Metal Laser Sintering. Materials. 6, (3), Basel. 856-869 (2013).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics