Производство одного трека Ti-6Al-4V осаждением направленной энергии для определения толщины слоя многослойных осаждения

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

В этом исследовании быстрый метод, основанный на расплава бассейн характеристика разрабатывается для оценки толщина слоя Ti-6Al-4V компоненты, произведенные направленной энергии осаждения.

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

Направленной энергии осаждения (DED), которая представляет собой метод аддитивного производства, предполагает создание сварочной ванне с лазерным лучом где металлический порошок вводится как частицы. В общем этот метод используется для изготовления или ремонта различных компонентов. В этой технике окончательные характеристики зависят от многих факторов. Действительно одна из главных задач в создании компонентов, дед является оптимизация параметров процесса (например, мощность лазера лазерная скорость, фокус, и т.д.), который обычно осуществляется через обширное экспериментальное исследование. Однако такого рода эксперимента является чрезвычайно длительным и дорогостоящим. Таким образом чтобы ускорить процесс оптимизации, разработать метод, основанный на характеристики расплава бассейн было проведено расследование. В самом деле в этих экспериментах, одного трека Ti-6Al-4V были сданы на хранение дед процесса с несколькими комбинации мощности лазера и скорость лазерной. Были проанализированы поверхности морфологии и размеры отдельных дорожек, и геометрические характеристики расплава бассейны были оценены после полировки и травления сечений. Полезную информацию относительно выбора оптимальных технологических параметров может быть достигнуто путем изучения особенностей бассейна расплава. Эти эксперименты расширяются характеризовать большие блоки с несколькими слоями. Действительно эта рукопись описывает, как его можно быстро определить толщину слоя для массовых осаждений и избегать чрезмерной или недостаточной осаждения согласно вычисляемых плотность энергии оптимальных параметров. Помимо более или недостаточного осаждения время и материалы экономии являются другие большие преимущества этого подхода, в котором осаждения многослойных компонентов может быть запущен без параметров оптимизации с точки зрения толщины слоя.

Introduction

Ti-6Al-4V является наиболее широко используемым сплава Ti в аэрокосмической, самолеты, автомобили и биомедицинской промышленности из-за его высокое отношение прочности к весу, отличные трещиностойкость, низкий удельный вес, отличную коррозионную стойкость и тепла излечения. Однако его дальнейшее развитие событий в других приложениях являются сложными, благодаря своей низкой теплопроводностью и высокой реактивности функции, которые приводят к его плохой обрабатываемостью. Кроме того из-за жары, упрочнения явлений во время резки, теплоемкость лечение должно быть предприняты1,2,3,4.

Тем не менее Аддитивные производства (AM) технологии показали большой потенциал для использования в качестве новых методов производства, которые могут уменьшить стоимость и потребление энергии и решить некоторые из нынешних проблем в изготовление сплава Ti-6Al-4V.

Аддитивного производства методы известны как инновационные и может изготовить вблизи чистой форме компонент в моде слой за слоем. Слой за слоем аддитивного производства подход, который ломтиками компьютер автоматизированного проектирования (CAD) модель в тонких слоях и затем строит компонент слой за слоем, имеет основополагающее значение для всех методов AM. В общем, аддитивного производства металлических материалов можно разделить на четыре различных процессов: порошок кровать, порошок, корма (ветром порошок), подачи проволоки и другие маршруты3,5,6.

Направленной энергии осаждения (DED) является классом аддитивного производства и ветром порошок процесс, который использует трехмерные (3D) вблизи чистой форме твердых частей из файла CAD похож на другие методы AM. В отличие от других методов дед может использоваться не только как метод производства, но также могут быть использованы как ремонт техники для высокой стоимости деталей. В процессе дед металлический порошок или проволока материал подается газ-носитель или двигатели в пул расплава, который генерируется лазерного луча на либо субстрат или ранее на хранение слоя. DED процесс является перспективным передовых производственный процесс, который способен снижения коэффициента купить к лету, а также способен ремонт высокое значение частей, которые ранее были слишком дорогими заменить или непоправимого7.

Для достижения желаемого геометрические размеры и свойства материала, жизненно важно создать соответствующие параметры8. Был предпринят ряд исследований для прояснения взаимосвязи между окончательный свойства наплавленного образца и параметры процесса. Peyre и др. 9 построен некоторые тонкие стены с различных технологических параметров, а затем охарактеризовал их с помощью 2D и 3D profilometry. Они показали, что толщина слоя и расплава бассейн объемом влияют на параметры шероховатости заметно. Vim и др. 10 предложена модель для того, чтобы проанализировать связь между параметрами процесса и геометрические характеристики одной облицовки слоя (плакированные высоты, одетый ширина и глубина проникновения).

На сегодняшний день, несколько исследований на дед Ti сплавов поступало, Последнее из которых сосредоточены на влияние комбинация параметров на свойства массивных образцы11,12,4. Rasheedat и др. Изучено влияние проверки скорости и порошок скорость потока на результате свойства лазера на хранение Ti-6Al-4V сплава. Они обнаружили, что, увеличивая скорость сканирования и порошок скорость потока микроструктуры изменено с Widmanstätten на мартенситные микроструктуры, что приводит к приращение шероховатости поверхности и микротвердость депонированных образцов7. Тем не менее меньше внимания было уделено разработке параметра Толщина слоя. Чой и др. исследовали корреляции между толщина слоя и параметры процесса. Они обнаружил, что основными источниками ошибок между нынешней высоты и фактическая высота порошок массы потока скорость и слой толщиной установка13. Их исследования не осуществлять должным образом параметр толщина слоя потому, что они связаны с длительным и неточные процессы в параметре толщины слоя. Ruan и др. исследовали эффект лазерного сканирования скорость на высоту наплавленного слоя в мощности постоянного лазера и порошок, кормления ставка14. Они предложили некоторые эмпирические модели для параметра Толщина слоя, которые были получены при обработке конкретных условиях, и таким образом параметр толщина слоя не может быть точным из-за использования конкретного процесса параметры15. В отличие от предыдущих работ толщина слоя, Настройка процесса, предложенного в этой рукописи является быстрый метод, который может выполняться без лишних затрат времени и материалов.

Основное внимание этой работы заключается в разработке быстрый метод для определения толщины слоя, основанный на характеристиках отдельных дорожек сплава Ti-6Al-4V на оптимальные параметры процесса DED. После этого оптимального процесса параметры используются для определения толщины слоя и изготовить высокой плотности Ti-6Al-4V блоков без тратить время и материалы.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. порошок характеристика

  1. Положите 3 g начиная Ti-6Al-4V порошков на ленте-двухсторонние липкие углерода, который расположен на алюминиевой PIN-код заглушки и вставить в камере образца Автоэмиссионные сканирующий электронный микроскоп (FESEM) для анализа морфологии порошок16.
  2. Измерить насыпная плотность порошка, заполнив контейнер3 30 см и измерить вес порошка в соответствии со стандартом ASTM-B212.
  3. Химический анализ начиная порошка (5-10 г), используемые порошка (5-10 г) и хранение блока (20 g) с помощью элементарного (например, Леко) и индуктивно сочетании плазмы (ICP) анализатор17.

2. направленной энергии осаждения отдельных дорожек

  1. Загрузка порошка
    1. Носите средства индивидуальной защиты, включая респираторные маски FFP3, соответствует требованиям EN 149, Непудренные Одноразовые нитриловые перчатки и защитные пластиковые очки.
    2. Откройте Хоппер порошка, системы кормления и вытяжной вентилятор (например, ATEX) для удаления остаточных порошков.
    3. Извлеките бункер, следуя соответствующим инструкциям конструктором и чистой каждый компонент с помощью этанола, пропитанной бумажные полотенца.
      Примечание: Этот шаг имеет основополагающее значение, чтобы избежать загрязнения различных видов металлических порошков.
    4. Соберите порошок, загрузочного бункера, следуя указаниям, предоставленным конструктором. Оставим в стороне только верхнюю крышку бункера для того, чтобы выполнить загрузку порошка.
    5. Загрузить загрузочную воронку с Ti-6Al-4V порошки, имея гранулометрический состав в диапазоне 50-150 мкм. в зависимости от размера имеющихся Хоппер, заполнить его полностью.
    6. Очень плотно закройте верхнюю крышку бункера во избежание любой утечки газа.
  2. Подготовка образца
    1. Выберите лист Ti-6Al-4V с размерами 50 x 50 мм и толщиной 4 мм.
    2. Чистота поверхности титана листа с этанола, пропитанной бумажные полотенца. Измерьте вес листа с сотенные баланса.
    3. Поместите лист на рабочей области в соответствии с положением маркера. Рабочая область является, где осаждения будут проходить, поэтому она определяется согласно запрограммированной путь робота.
  3. Подготовка робота и подготовки осаждения оборудования
    1. Смонтировать насадку на головку лазерный так, что угол между осью сопла и ось лазера 35°.
    2. Перемещения робота к отправной точке рабочих для выполнения калибровки.
    3. Проверьте расстояние между насадкой и рабочей плоскости и, при необходимости, исправить вручную положение сопла до тех пор, пока измеренное расстояние составляет 5 мм.
      Примечание: Поскольку Рабочая область лежит на горизонтальной плоскости, это расстояние-расстояние по вертикали между металлического листа и кончик насадки.
    4. Проверьте центровку сопел выход с лазером: во-первых, перейти на лазерной руководство, щелкнув команду «Лазер Guide ON» программное обеспечение для управления лазером. Затем поместите тонкий стержень, 0,8 мм в диаметре и 200 мм в длину, внутри сопла. Убедитесь, что кончик стержня и место в руководстве лазерной совпадают. Если нет, то вручную отрегулировать положение сопла, уважая расстояний и углов указывалось ранее.
      Примечание: В этом случае, наружный диаметр сопла-1 мм; Если используется сопло с меньшего диаметра, используйте стержень, диаметр которых меньше в сопло.
    5. Проверка калибровки данные, записанные в программное обеспечение управления робот: нажмите на кнопку «Применить» на программное обеспечение и ждать для компиляции кода.
      Примечание: Программное обеспечение будет проверять наличие ошибки в коде; Если ошибки не обнаружены, код хранится на контроллер робота. Если обнаружены ошибки, код не будет компилироваться, и далее будет необходимо пересмотреть.
    6. Включите модуль лазерного источника, щелкнув команду «Включить лазер» на программное обеспечение управления.
      Примечание: Источником трудовой деятельностью лазера является непрерывный волоконный лазер, излучающих в инфракрасной области (1064 нм) с максимальной мощностью 5 кВт.
    7. Включить двигатели робота, вручную, нажав на кнопку «Робот двигатели на «на шкаф управления робота и проверьте, что связанные безопасности индикатор светится: Если так, это означает, что двигатели включены.
  4. Запустите процесс осаждения
    1. Выберите соответствующий файл в списке существующие программы и загрузить рабочий путь в основной робот рутины.
    2. Проверьте параметры лазера и робот: установить мощность лазера для конкретных лазерного луча (325, 650, 980, 1500 Вт) и скорость робота к заданной скорости (30, 40, 50, 60 мм/сек).
      Примечание: Эти параметры записываются в программное обеспечение управления робота, согласно конкретным языком машины.
    3. Подтвердите новые параметры, нажав на кнопку «Применить» на программное обеспечение и ждать для компиляции кода. Программное обеспечение будет проверять наличие ошибки в коде; Если ошибки не обнаружены, код хранится на контроллер робота, и она готова к запуску. Запуск процедуры робота, нажав на кнопку «Старт» на программное обеспечение управления робота.
  5. Возьмите образец, используя специальные щипцы и чистой поверхности образца этанола, пропитанной бумажной салфеткой для удаления любых остаточных порошок.

3. анализ отдельных дорожек

  1. Анализ отдельных дорожек из верхней стерео микроскоп с увеличением 5 X.
    Примечание: На данном этапе, некоторые изображения взяты с помощью стерео микроскоп и проанализированы визуально.
  2. Вырежьте один треков от середины хранение треков перпендикулярно направлению осаждения с помощью точных режущего инструмента.
  3. Смонтируйте поперечное сечение одного треков в эпоксидной смолы. Выберите монтажа Кубок и место чистой и сухой образца в нем. Аккуратно измерить правильного количества смолы по весу (10 g/образец), а затем смешать с Жидкий отвердитель (6 g/образец). Смола смесь залить образца и оставить заполненные крепления чашки, чтобы вылечить в течение 30 мин при комнатной температуре. После этого шлифуют подключенные образцы с 500, 800 и 1200 зернистости бумаги размера НИЦ и затем польский с помощью алмазной пастой вплоть до тонких размеров частиц алмаза (1 мкм).
  4. Анализировать полированной поверхности с точки зрения формы и пористость с помощью оптического микроскопа. Получение изображений расплава бассейнов с оптическим микроскопом при 10-кратном, а затем проанализировать их с помощью изображений-J программного обеспечения.
  5. Измерьте высоту расплава бассейнов, измеряя расстояние между верхней и нижней части бассейна расплава. Впоследствии участок измеренной высоты расплава бассейнов как функция плотность энергии, который рассчитывается согласно его соответствующего уравнения. Действительно плотность энергии можно рассчитать по следующему уравнению:
    Equation 1
  6. Наденьте 2nd порядок полинома экспериментальные результаты для получения уравнения, соответствующий толщине слоя в зависимости от конкретных плотности энергии.
  7. Рассмотрим конкретные плотность энергии и рассчитать толщину слоя согласно их отношения, которое было отмечено в предыдущем шаге.
  8. Чтобы проверить метод, изготовления многослойных блоков, рассматривая вычисляемых толщины и затем характеризуют часть блоков с точки зрения пористости и перепад высот.
  9. Анализ микроструктуры сфабрикованные блока после полировки шаг в той же процедуре, раздел 3.3. В самом деле, после окончательной полировки, etch образцы для 30 s с Kroll реагент, который содержит 92 мл дистиллированной воды, 6 мл азотной кислоты и 2 мл фтористоводородной кислоты.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Для проведения экспериментальных исследований нерегулярные Ti-6Al-4V порошок со средним размером 50-150 мкм и насыпная плотность 1,85 г/см3 работал сдачи материала (рис. 1). Химический анализ порошка подтвердил, что содержание кислорода и азота порошка не меняется до и после процесса осаждения, в то время как в обоих случаях содержание кислорода был выше, чем стандартные кислорода содержание Ti-6Al-4V порошок для Аддитивные производства (< 0,13%). Однако содержание кислорода и азота сыпучих компонентов возросла после осаждения.

Figure 1
Рисунок 1: запуск Ti-6Al-4V порошок используется как внесение материала. Это нерегулярные порошок с средним размером 100-150 мкм и насыпная плотность 1,85 г/см3.

C S Al Fe H N O V Ti
Свежий порошок 0,017 < 0,001 5.83 0,08 0.013 0.022 0,23 3.89 Бал.
Используется порошок 0,016 < 0,001 5.86 0,08 0,012 0.02 0,22 3.87 Бал.
Основной компонент 0,021 0.001 5.78 0,08 0,012 0,058 0.28 3.8 Бал.
Стандарт < 0,08 -- 5.5-6.5 < 0.25 < 0,012 < 0,05 < 0,13 3.5-4.5 Бал.

Таблица 1: химический состав порошка Ti-6Al-4V до и после осаждения (массовая доля). Это показывает, что содержание кислорода и азота порошка не изменения до и после процесса осаждения, в то время как в обоих случаях содержание кислорода выше, чем стандартные кислорода содержание Ti-6Al-4V порошок для аддитивного производства.

Рисунок 2 показывает одного трека Ti-6Al-4V сплава после осаждения на различных мощность лазера и лазерного сканирования скорость. Как видно, увеличивая мощность лазера и уменьшения лазерного сканирования скорость, размер отдельных дорожек увеличилось.

Figure 2
Рисунок 2: сингл треки из сплава Ti-6Al-4V после осаждения. Эти один треки были сданы на хранение в различных лазерных мощность и скорость лазерного сканирования и проанализированы сверху. Путем увеличения мощности лазера и уменьшения лазерного сканирования скорость, размеры их увеличилось.

На рисунке 3 показано поперечное сечение одного треков после осаждения, и путем увеличения мощности лазера, высота отдельных дорожек значительно увеличилось. Кроме того уменьшая скорость сканирования лазера на мощность постоянного лазера, высота осаждения увеличилась, в то время как мощность лазера низкой и очень высокий лазерного сканирования скорость, высота осаждения было незначительным. Несмотря на разгар расплава бассейн формирования пористости внутри расплава бассейн, в частности вблизи интерфейс расплава бассейн/фьюжн зоны, был еще одним явлением, которое было выявлено после осаждения.

Figure 3
Рисунок 3: поперечное сечение одного треков после осаждения. Путем увеличения мощности лазера и уменьшения лазерного сканирования скорость, высота расплава бассейна сократилось. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Связь между высотой одной дорожки и параметр различных процесса показан на рисунке 4. Высота отдельных дорожек скоростью сканирования различных лазерных увеличен путем увеличения мощности лазера, который свидетельствует о том, что мощность лазера до определенного момента имеет положительное влияние на осаждения высоты (рис. 4a). Однако после этой критической точки, мощность лазера отрицательно сказывается на росте осаждения вследствие доставки слишком много энергии в пул расплава. Кроме того, было установлено, что как лазер, увеличена скорость сканирования, ввода энергии в бассейне плавления был сокращен и скорость доставки порошка косвенно уменьшилось, и следовательно хранение высота снизилась удивительно (рис. 4В).

Figure 4
Рисунок 4: влияние различных технологических параметров на однопутных измерение. Ясно, что как лазер, скорость сканирования увеличение (b), ввода энергии в бассейне плавления уменьшается и порошок доставки курса () косвенно уменьшается и, следовательно, депонированные высота снизилась удивительно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Эти результаты четко демонстрируют влияние различных технологических параметров на геометрии хранение треков. Несмотря на предоставление ценную информацию в этот процесс, оценки вклада высоты по-прежнему сложной, вследствие различных параметров, которые были вовлечены. Таким образом были предприняты некоторые усилия разработать новую стратегию оценить эффект комбинации параметров процесса на геометрии хранение трек.

Как было показано, высоту наплавленного слоя увеличен путем увеличения мощности лазера, и предполагается, что это был не единственный параметр, который влияет на высоту плавления пула. В самом деле в период времени, необходимого для расплава определенный объем субстрата и сдать соответствующий слой расплавленного материала, определенное количество энергии и порошок должен предоставляться к подложке. Эта энергия не только определяется мощность лазера и лазерного сканирования скорость, но также следует рассматривать размер лазерного пятна. Для этой цели конкретные плотность энергии на единицу размера пятна (E) и порошок, кормить плотность (F) рассчитывается для оценки эффекта сочетания этих параметров.

E, который плотность энергии, показывает, что энергия, которая доставляется в пул расплава лазера и в принципе отвечает за плавления субстрата и порошок. Эта плотность энергии выражается в виде8

Equation 2(1)

E , где удельная плотность энергии на единицу размера пятна, P — это мощность лазера (W), v -скорость лазерного сканирования (мм/сек) и D -размер лазерного пятна (мм). Чтобы получить уровень соответствующей осаждения для каждого металлического материала, существует определенный уровень энергии, ниже которого не фьюжн облигаций может быть достигнуто, и за что разбавления становится слишком большим. Еще одним фактором, который показывает эффект комбинации параметров является плотность порошка (F), который может быть рассчитан следующим8

Equation 3(2)

Здесь F — подачу плотность порошка, и G -порошок, кормления ставка (g/s).

Рисунок 5 показывает вариации высоту наплавленного слоя в зависимости от конкретных плотности энергии. Как видно, высота отдельных дорожек увеличена, увеличивая плотность энергии, которые могут быть связаны с выше подводимого тепла в более высокой плотности энергии лазера. Эмпирические взаимосвязи между плотность энергии и высота осаждения являются следующие:

h = 14.99 E-17,85 (3)

Из этого уравнения высоту наплавленного трек может быть оценена путем расчета конкретных плотности энергии и это уравнение. С другой стороны вариации на хранение высоты как функция плотности порошок, который показан на рисунке 6, показали, что, увеличив плотность порошка, увеличить высоту наплавленного трек, и эмпирические отношения между ними могут быть выражено следующим образом:

h = 38477 F – 157.06 (4)

Это уравнение показывает, что высоту наплавленного трек может быть рассчитана путем расчета плотность порошка и это уравнение. EQ. 3 и уравнение 4 показывают, что с помощью комбинации параметров процесса и расчета конкретных плотность энергии и плотность порошка, можно прогнозировать хранение высоты, и поэтому найти лучший домен для достижения наилучшего качества осаждения.

Figure 5
Рисунок 5: один трек высота (h) против конкретных плотность энергии (E). Высота отдельных дорожек, увеличилось, увеличивая плотность энергии, которые могут быть связаны с выше подводимого тепла в более высокой плотности энергии лазера. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 6
Рисунок 6: один трек высота (h) как функцию порошка кормить плотность (F). Увеличивая подачу плотность порошка, увеличить высоту наплавленного трек. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

В прямой энергии осаждения металлических материалов h (высота слоя, или ΔZ) является очень важным фактором, который влияет на качество компонента после осаждения. Обычные прямые энергии осаждения металлических компонентов высота слоя осаждения считается постоянной и, помимо геометрии компонент и его материала, параметры процесса были такие мощности лазера и лазерного сканирования скорость оптимизированный для изготовления последний компонент. Действительно нарезка слои в постоянной толщины не соответствуют обычно параметры процесса. Таким образом эта толщина может быть изменен вручную или эмпирически, который приносит в жертву качество компонентов и стоимость изготовления. В целом в обычных слой нарезки, над или под deposition может быть достигнуто за счет приближения в рассмотрении толщина слоя, который требует дальнейшего исправления таких последующих осаждения или обработки дополнительных слоев (Рисунок 7а ). Таким образом в этой работе, были предприняты усилия для разработки новой стратегии для определения толщины слоя, согласно условий процесса, которые используются в производстве компонентов.

Figure 7
Рисунок 7: нарезка. (a) обычных нарезки стратегии, (b) новые нарезки стратегии согласно оптимальных технологических параметров; в обычных слой нарезки, над или под deposition может быть достигнуто за счет приближения в рассмотрении толщина слоя, который требует дальнейшего исправления, например последующих осаждения или обработки дополнительных слоев. В этом подходе толщина слоя для изготовления компонента определяется согласно высотой один слой, связанных с конкретным плотность энергии двух комбинированных параметров. E является удельная плотность энергии на единицу размера пятна, F подачу плотность порошка, tdep это толщина одного слоя, и tслое толшины.

В самом деле в этом подходе, толщина слоя для изготовления компонента определяется согласно высотой один слой, связанных с конкретным плотность энергии двух комбинированных параметров. Доказательство этого метода и проверить корреляции между качеством компонента и различные толщины, некоторых простых кубов были построены на различных ΔZ и затем были оценены их сечений.

Рис. 8А -b показать представителя сечения многослойного блоков, которые были произведены в соответствии с обычным методом. Как можно увидеть в таблице 2, согласно нарезки стратегия, которая рассматривает 0.325 мм толщина слоя, желаемой высоты блока показано на рис. 8А должно быть примерно 5,2 мм. Однако в методе обычных, было достигнуто окончательного высоту 10.11 мм (чрезмерного осаждения), который является следствием учета высокой ΔZ (0,6 мм) во время процесса. Этот процесс чрезмерного осаждения привело к отсутсвие синтеза между слоями и высокий уровень пористости внутри образца. С другой стороны Рисунок 8b показывает, что, учитывая низкий ΔZ, нельзя достичь желаемой высоты, и это приводит в процессе длительного осаждения и нежелательных микроструктуры. Эти расхождения подразумевает, что в методе обычных нарезки слои в фиксированной толщины не соответствуют обычно параметры процесса, и таким образом нельзя достичь желаемой толщины. Сечение блока, который был подготовлен согласно нарезки стратегии, показано на рисунке 9. Как можно увидеть через рассматривает соответствующие ΔZ, может быть возможным для достижения отличной размерной точности. Однако точность размеров может быть уменьшена на высоком уровне мощности лазера вследствие высокой ввода энергии, что приводит к таянию подстилающего слоя. Таблица 2 показывает, что с помощью метода нарезки, более стабильный плавления бассейн позиция может быть достигнуто, и следовательно увеличивается точность размеров. На рисунке 9 показан блок, который производится согласно нарезки подход, и как видно с помощью соответствующих ΔZ (~ 0,5 мм) был получен желаемой высоты осаждения.

Figure 8
Рисунок 8: Примеры образцов производится обычным способом. По словам нарезки стратегия, которая рассматривает 0.325 мм толщина слоя желаемой высоты блока, который показан в панели должно быть примерно 5,2 мм. Однако в методе обычных, было достигнуто окончательного высоту 10.11 мм (чрезмерного осаждения), который является следствием учета высокой ΔZ (0,6 мм) во время процесса. С другой стороны Группа b показывает, что рассматривая низкой ΔZ, желаемой высоты не могут быть достигнуты и результаты в процессе длительного осаждения и нежелательных микроструктуры. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 9
Рисунок 9: пример образец, изготовленный методом нарезки. Это подтверждает, что рассмотрение надлежащего ΔZ приводит к отличной размерной точности.

Мощность лазера (W) Толщина слоя (мм) Количество слоёв Желаемый высота (мм) Депонированные высота (мм)
Обычный метод 350 0,325 16 5,206 10,114
1500 0.758 8 6.07 3.425
Нарезки метод 325 0,485 5 7.436 7.245

Таблица 2: сравнение между хранение и желаемой высоты в обычных и нарезки методов. Это показывает, что с помощью метода нарезки, более стабильный плавления бассейн позиция может быть достигнуто и, следовательно, увеличивает точность размеров.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

В этой работе основное внимание уделялось параметра Толщина нарезки в процессе дед Ti-6Al-4V, согласно геометрические характеристики расплава пула. Для этой цели был определен и использовать двухэтапный протокол. Первая часть протокола была оптимизация параметров процесса осаждения одно сканирование во время этого шага, были достигнуты оптимальные параметры и геометрии расплава бассейн были измерены. Во второй части протокола была рассчитана удельная плотность энергии образцов на оптимальные параметры. В этом шаге высота расплава бассейн был заговор как функция плотности энергии и, в этот критический шаг, толщина слоя для многослойных осаждения может быть достигнуто.

В дед поскольку различные параметры процесса изменить толщину слоя, осаждения слои с постоянной толщины не может привести к точной геометрии компонента. Это означает, что учитывая фиксированный слой толщиной для осаждения, независимо от параметров процесса, приводит к под - или над - deposition что результаты в геометрические ошибки и, следовательно, длительного производственного процесса. Цель этого расследования заключалась в изучении взаимосвязи между процедуре параметр Толщина нарезки, фактическую высоту наплавленного и условий процесса. Был сделан вывод, что через сочетание геометрии расплава бассейн и технологических параметров, можно было бы определить оптимальный слой толщиной, связанные с параметрами определенного процесса в более короткий период времени, в связи с традиционные методы.

Нарезки стратегия использует уравнения, которые получают высоту однослойные, связанные с удельной плотностью энергии. Последний компонент нарезанный по высоте один слой для конкретных условий депонирования. Чтобы проверить предложенного метода, некоторые блоки были произведены согласно нарезки подход. Результаты этого исследования показали, что, используя этот протокол, можно было бы определить толщину слоя, который является одним из основных параметров, которые следует считать правильно построить компонент с точными размерами. Единственным ограничением настоящего Протокола, которые могут считаться является зависимость результатов от типа материала, и таким образом этот протокол должен осуществляться для каждого типа материала. Кроме того чтобы увеличить точность параметра Толщина слоя, Ширина бассейна расплава может также рассматриваться в протоколе. Наиболее важным шагом в протоколе является измерение геометрии бассейн расплава так что любая ошибка, даже небольшие ошибки, этот шаг может привести к значительным ошибка в параметре Толщина слоя.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы не имеют ничего сообщать.

Acknowledgments

Авторы хотели бы признать Европейский исследовательский проект, принадлежащие Horizon 2020 программы исследований и инноваций Borealis - 3А класс энергии гибкая машина для новых добавка и субтрактивный производства на следующее поколение сложных 3D металлические детали

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