Producción de pistas individuales de Ti-6Al-4V por deposición de energía dirigida a determinar el espesor de la capa de deposición multicapa

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Summary

En esta investigación, se desarrolla un método rápido basado en caracterización de piscina del derretimiento para estimar el espesor de la capa de componentes de Ti-6Al-4V producidos por deposición de energía dirigida.

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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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Abstract

Dirigida energía deposición (DED), que es una técnica de fabricación aditiva, implica la creación de un charco con un rayo laser en metal en polvo se inyecta como partículas. En general, esta técnica se emplea para fabricar o reparar componentes diferentes. En esta técnica, las características finales son afectadas por muchos factores. De hecho, una de las principales tareas en la construcción de componentes por DED es la optimización de los parámetros (como la energía del laser, laser velocidad, enfoque, etc.) que generalmente se lleva a cabo a través de una extensa investigación experimental. Sin embargo, este tipo de experimento es extremadamente largo y costoso. Así, con el fin de acelerar el proceso de optimización, se realizó una investigación para desarrollar un método basado en las caracterizaciones de la piscina de fusión. De hecho, en estos experimentos, solo huellas de Ti-6Al-4V fueron depositados por un proceso DED con múltiples combinaciones de energía del laser y laser velocidad. Morfología superficial y las dimensiones de pistas individuales se analizaron, y características geométricas de las piscinas de derretimiento se evaluaron después de pulido y grabado de los cortes transversales. Información útil sobre la selección de parámetros de proceso óptima se logra mediante el examen de las características de la piscina de fusión. Estos experimentos están ampliándose para caracterizar los bloques más grandes con múltiples capas. De hecho, este manuscrito describe cómo sería posible determinar rápidamente el espesor de la capa de deposición masiva y evitar la sobre o debajo-deposición según la densidad de energía calculada de los parámetros óptimos. Aparte de la sobre o debajo del depósito, tiempo y ahorro de materiales son las otras grandes ventajas de este enfoque en el que se puede iniciar la deposición de componentes múltiples capas sin ninguna optimización de parámetro en cuanto a espesor de la capa.

Introduction

Ti-6Al-4V es el más comúnmente utilizado aleación de Ti en el avión aeroespacial, automotriz y las industrias biomédicas debido a su alto cociente del fuerza-a-peso, resistencia a la fractura excelente, gravedad específica baja, resistencia a la corrosión y calor tratabilidad. Sin embargo, su evolución en otras aplicaciones es difíciles, debido a su baja conductividad térmica y características de alta reactividad, que resultan en su manufacturabilidad pobre. Por otra parte, debido al calor fenómenos de endurecimiento durante el corte, un tratamiento de calor específico debe ser realizado1,2,3,4.

Sin embargo, (mañana) tecnologías de fabricación aditiva demostró gran potencial para ser utilizado como nuevas técnicas de fabricación que pueden reducir el consumo de energía y precio y abordar algunos de los retos actuales en la fabricación de la aleación Ti-6Al-4V.

Técnicas de fabricación aditiva se conocen como innovador y puede fabricar una forma neta cerca componente en forma de capa por capa. Un enfoque de fabricación aditiva capa por capa, que rebanadas de un modelo de diseño asistido por computadora (CAD) en capas delgadas y luego construye el componente capa por capa, es fundamental para todos los métodos de AM. En general, fabricación aditiva de materiales metálicos se puede dividir en cuatro procesos diferentes: polvo de cama, polvo (polvo soplado) de alimentación, cable de alimentación y otras rutas3,5,6.

Dirigida energía deposición (DED) es una clase de fabricación aditiva y es un proceso de soplado en polvo que fabrica tridimensional (3D) cerca de partes sólidas en forma neta desde un archivo CAD similar a otros métodos de AM. A diferencia de otras técnicas, DED no sólo se puede utilizar como un método de fabricación, pero también puede ser empleado como una técnica de reparación de piezas de alto valor. En el proceso DED, material en polvo o alambre metálico es alimentado por un gas portador o motores en la piscina del derretimiento, generado por el láser de la viga ya sea el sustrato o depositaron previamente la capa. El proceso DED es un prometedor proceso de fabricación avanzada que es capaz de disminuir la proporción de compra para volar y también es capaz de reparar piezas de alto valor que anteriormente eran prohibitivamente caras reemplazar o irreparable7.

Para lograr la deseada dimensiones geométricas y propiedades de los materiales, es fundamental establecer parámetros adecuados8. Se han realizado varios estudios para aclarar la relación entre los parámetros del proceso y las propiedades finales de la muestra depositada. Peyre et al. 9 había construido algunas paredes delgadas con diferentes parámetros y luego había caracterizado mediante el uso de perfilometría 2D y 3D. Demostraron que el grueso de capa y volumen de la piscina del derretimiento afectan los parámetros de rugosidad perceptiblemente. VIM et al. 10 propuso un modelo para analizar a la relación entre los parámetros de proceso y características geométricas de una capa de revestimiento único (altura revestido, revestido de la anchura y profundidad de penetración).

Hasta la fecha, varios estudios sobre DED de Ti aleaciones se han divulgado, más que centrado en la influencia de la combinación de parámetros en las propiedades de las muestras masivas11,12,4. Rasheedat et al. estudió el efecto de escaneo polvo y velocidad de flujo en las propiedades resultantes de la laser metal depositada aleación Ti-6Al-4V. Encontraron que al aumentar la velocidad de escaneo y polvo caudal la microestructura cambiado de Widmanstätten a una microestructura martensítica, que resulta en un incremento de la rugosidad de la superficie y la microdureza de especímenes depositados7. Sin embargo, se ha prestado menos atención al diseño de la configuración del grueso de capa. Choi et al. investigaron la correlación entre el espesor de la capa y los parámetros del proceso. Han encontrado que las principales fuentes de error entre la altura actual y la altura real son el polvo de flujo másico tasa y capa ajustando un grosor de13. Sus estudios lo hizo implementar correctamente ajuste de espesor de capa porque participan procesos largos e inexactos en el ajuste de espesor de capa. Ruan et al. han investigado el efecto de la velocidad en la altura de la capa depositada en una energía constante y polvo alimentación tasa14de escaneo láser. Han propuesto algunos modelos empíricos de ajuste de espesor de capa obtenidos bajo condiciones de proceso específicas, y así el ajuste de espesor de capa no puede ser exacto debido a la utilización de parámetros de proceso específico15. A diferencia de trabajos anteriores, el grueso de la capa proceso propuesto en este manuscrito es un método rápido que se puede realizar sin pérdida de tiempo y materiales.

El objetivo principal de este trabajo es desarrollar un método rápido para la determinación del espesor de la capa basándose en las características de las pistas individuales de la aleación Ti-6Al-4V en parámetros óptimos del proceso de DED. Después de eso, los parámetros de proceso óptima se emplean para determinar el espesor de una capa y fabricar bloques de Ti-6Al-4V alta densidad sin perder tiempo y materiales.

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Protocol

1. Caracterización de polvo

  1. Ponga 3 g de polvos de Ti-6Al-4V a partir de una cinta de doble cara adhesiva carbono, que se encuentra en un trozo de aluminio pin e inserte dentro de la cámara de muestra de un microscopio electrónico de barrido de emisión de campo (FESEM) para analizar la morfología del polvo16.
  2. Medir la densidad aparente del polvo llenando un recipiente de 30 cm3 y medir el peso de polvo según la norma ASTM-B212.
  3. Realizar análisis químicos de arranque (5-10 g), utiliza polvo (5-10 g) y depositados block (20 g) por medio del elemental (p. ej., Leco) e inductivamente acoplado plasma (ICP) analizador17.

2. dirigida deposición de energía de pistas individuales

  1. Carga de polvo
    1. Use equipo de protección personal, incluyendo una máscara respiratoria FFP3 conforme a los requisitos de EN 149, guantes de nitrilo desechables sin polvo y gafas protectoras de plástico.
    2. Abra la tolva del polvo del sistema de alimentación y utilice un ventilador extractor (por ejemplo, ATEX) para eliminar el polvo residual.
    3. Retire la tolva siguiendo las instrucciones adecuadas dadas por el constructor y limpie todos los componentes mediante el uso de toallas de papel impregnado de etanol.
      Nota: Este paso es fundamental para evitar la contaminación por diferentes tipos de polvos de metal.
    4. Vuelva a montar el polvo de la tolva de alimentación siguiendo las instrucciones dadas por el constructor. Dejar a un lado la tapa de la tolva para la carga del polvo.
    5. Cargar la tolva con polvos de Ti-6Al-4V con granulometría en el rango de 50-150 μm. dependiendo del tamaño de la tolva disponible, llenar completamente.
    6. Cierre la tapa de la tolva muy bien para evitar cualquier fuga de gas.
  2. Preparación de la muestra
    1. Toma una hoja de Ti-6Al-4V con dimensiones de 50 x 50 mm y 4 mm de espesor.
    2. Limpie la superficie de la hoja de titanio con toallas de papel impregnado de etanol. Medir el peso de la hoja con un equilibrio centesimal.
    3. Coloque la hoja en la zona de trabajo según la posición del marcador. El área de trabajo es donde la deposición llevará a cabo, por lo que se determina según la trayectoria programada del robot.
  3. Preparación de la preparación de los equipos de deposición y Robot
    1. Montar la boquilla en la cabeza del laser para que el ángulo entre el eje de la boquilla y el eje del laser es de 35°.
    2. Mover el robot para el punto de partida para realizar la calibración.
    3. Compruebe la distancia entre la boquilla y el plano de trabajo y, si es necesario, corregir manualmente la posición de la boquilla hasta que la distancia medida es de 5 mm.
      Nota: Puesto que el área de trabajo se pone en un plano horizontal, esta distancia es la distancia vertical entre la chapa y la punta de la boquilla.
    4. Comprobar el centrado de la salida de la boquilla con el láser: en primer lugar, encienda la guía láser haciendo clic en el comando de "Láser guía ON" en el software para el control del láser. Luego, poner una varilla delgada, mide 0,8 mm de diámetro y 200 mm de longitud, dentro de la boquilla. Verificar que la punta de la varilla y el punto de la guía de láser son coincidentes. Si no, ajustar manualmente la posición de la boquilla, respetando las distancias y los ángulos previamente indicados.
      Nota: en este caso, el diámetro exterior de la boquilla es de 1 mm; Si se emplea una boquilla con un diámetro más pequeño, utilice una barra cuyo diámetro es más pequeño que el de la boquilla.
    5. Verificar los datos de calibración en el software de control de robot: haga clic en el botón "Aplicar" en el software y esperar a que la compilación del código.
      Nota: El software se detectan errores en el código; Si no se detecta ningún error, el código se almacena en el controlador de robot. Si se detectan errores, no se compila el código, y además se necesitará la revisión.
    6. Habilitar el módulo de fuente de laser haciendo clic en el comando "Enable de láser" en el software de control de láser.
      Nota: La fuente del láser empleado es un láser de fibra continua emitiendo en la región infrarroja (1064 nanómetro) con 5 kW de potencia máxima.
    7. Permitir que los motores del robot presionando manualmente el botón de "Motores de Robot en" en el gabinete de control del robot y compruebe que se enciende el LED relacionados con la seguridad: Si, esto significa que los motores se activan.
  4. Iniciar el proceso de deposición
    1. Seleccione el archivo apropiado en la lista de programas existentes y cargar la ruta de trabajo en la rutina principal del robot.
    2. Comprobar los parámetros del láser y el robot: ajustar la potencia del láser a la potencia del láser específico (325 650, 980, 1500 W) y la velocidad del robot a una velocidad dada (30, 40, 50, 60 mm/s).
      Nota: Estos parámetros se escriben en el software de control del robot, según el lenguaje específico de la máquina.
    3. Confirmar los nuevos parámetros pulsando el botón "Aplicar" en el software y espere a que la compilación del código. El software comprobará errores en el código; Si no se detecta ningún error, el código se almacena en el controlador del robot y está listo para ser lanzado. Presionando el botón "Inicio" en el software de control de robot para iniciar la rutina de robot.
  5. Recoger la muestra mediante el uso de la pinza especial y limpiar la superficie de la muestra con una toalla de papel empapada en etanol para quitar cualquier polvo residual.

3. analizar las pistas individuales

  1. Analizar los temas solo de la parte superior por un estéreo microscopio con aumentos de 5.
    Nota: En esta etapa, algunas imágenes son tomadas por medio de un microscopio estéreo y analizadas visualmente.
  2. Corte las pistas solo desde la mitad de las pistas depositadas perpendicular a la dirección de deposición mediante una herramienta de corte preciso.
  3. Montar la sección de pistas individuales en resina de epoxy. Elegir una copa de montaje y coloque al espécimen seco y limpio en ella. Medir cuidadosamente la cantidad correcta de resina en peso (10 g/muestra) y luego mezclar con un endurecedor líquido (6 g/muestra). Vierta la mezcla de resina sobre la muestra y dejar las copas de montaje lleno a curar durante 30 min a temperatura ambiente. Después de eso, moler a las muestras montadas con 500, 800 y 1.200 papel de SiC de tamaño de grano y luego pula utilizando pasta de diamante hasta los más finos tamaños de partículas de diamante (1 μm).
  4. Analizar las superficies pulidas en términos de forma y porosidad por medio de un microscopio óptico. Adquirir las imágenes de fusión en piscinas con el microscopio óptico con aumentos de 10 y luego analizarlas usando el software Image-J.
  5. Mida la altura de las piscinas de derretimiento midiendo la distancia entre la parte superior e inferior de la piscina del derretimiento. Luego, trazar la altura de las piscinas de derretimiento en función de la densidad de energía específica, que se calcula según la ecuación correspondiente. De hecho, la densidad de energía puede calcularse por la siguiente ecuación:
    Equation 1
  6. Ajustar un polinomio de orden 2nd los resultados experimentales para obtener la ecuación correspondiente al espesor de capa en función de la densidad de energía específica.
  7. Considerar una densidad de energía específica y calcular el espesor de la capa según su relación, que se observó en el paso anterior.
  8. Para verificar el método de fabricar un bloque multicapa teniendo en cuenta el espesor de la capa calculado y luego caracterizar la sección de bloques en cuanto a porosidad y altura final.
  9. Análisis de la microestructura del bloque fabricado después de pulido de un paso en el mismo procedimiento que el apartado 3.3. De hecho, después de pulido final, grabar las muestras por 30 s con el reactivo de Kroll, que contiene 92 mL de agua destilada, 6 mL de ácido nítrico y ácido fluorhídrico de 2 mL.

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Representative Results

Para los estudios experimentales, polvo de Ti-6Al-4V irregular con un tamaño promedio de 50-150 μm y la aparente densidad de 1,85 g/cm3 fue empleado como depósito de material (figura 1). El análisis químico del polvo confirmó que el contenido de oxígeno y nitrógeno del polvo no cambió antes y después del proceso de deposición, mientras que en ambos casos el contenido en oxígeno más alto que el contenido de oxígeno estándar de Ti-6Al-4V en polvo para fabricación aditiva (< 0,13%). Sin embargo, el contenido de oxígeno y el nitrógeno de los componentes a granel aumentó después de la deposición.

Figure 1
Figura 1: a partir de Ti-6Al-4V en polvo se utiliza como depósito de material. Se trata de un polvo irregular con un tamaño promedio de 100-150 μm y la aparente densidad de 1,85 g/cm3.

C S Al Fe H N O V Ti
Fresco en polvo 0.017 < 0.001 5.83 0.08 0.013 0.022 0.23 3,89 BAL.
Usado en polvo 0.016 < 0.001 5.86 0.08 0.012 0.02 0.22 3.87 BAL.
Componentes a granel 0.021 0.001 5,78 0.08 0.012 0.058 0.28 3.8 BAL.
Estándar < 0.08 -- 5.5-6.5 < 0,25 < 0.012 < 0.05 < 0,13 3.5-4.5 BAL.

Tabla 1: la composición química del polvo de Ti-6Al-4V antes y después de la deposición (porcentaje de peso). Muestra que el contenido de oxígeno y nitrógeno del polvo no cambia antes y después del proceso de deposición, mientras que en ambos casos el contenido de oxígeno es mayor que el contenido de oxígeno estándar de Ti-6Al-4V en polvo para la fabricación aditiva.

Figura 2 se muestra las pistas solo de Ti-6Al-4V de la aleación después de deposición en varias energía del laser y laser scan velocidad. Como se puede ver al aumentar la potencia del láser y disminuyendo la velocidad de escaneo de láser, el tamaño de pistas individuales aumentó.

Figure 2
Figura 2: solo las pistas de la aleación Ti-6Al-4V después de deposición. Estas pistas solo se depositaron en diferentes energía y velocidad de escaneo láser y analizadas desde la parte superior. Al aumentar la potencia del láser y disminuir el laser scan velocidad, su tamaño aumenta.

La figura 3 muestra la sección de pistas individuales después de la deposición, y al aumentar la potencia del láser, la altura de pistas individuales aumentó considerablemente. Además, al disminuir la velocidad de escaneo láser a una potencia de láser constante, la altura de la deposición de aumentado mientras que en el láser de baja potencia y velocidad de escaneo de láser de muy alta, la altura del depósito era insignificante. A pesar de la altura de la piscina del derretimiento, la formación de porosidad dentro de la piscina del derretimiento, en particular cerca de la interfaz de la zona de zona de piscina/fusión fusión, fue otro fenómeno que fue revelado después de la deposición.

Figure 3
Figura 3: sección transversal de pistas individuales después de la deposición de. Aumentando la potencia del láser y disminuyendo la velocidad de escaneo láser, disminución de la altura de la piscina del derretimiento. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

La relación entre la altura de una pista y el parámetro de proceso diferente se muestra en la figura 4. La altura de pistas individuales a velocidades de escaneo láser diferentes aumentadas incrementando la potencia del láser, que sugiere que la energía del laser hasta cierto punto tiene un efecto positivo en la altura de deposición (figura 4a). Sin embargo, después de ese punto crítico, la potencia del láser afecta negativamente el crecimiento de deposición debido a la entrega de demasiada energía en la piscina del derretimiento. Además, se constató que el láser escáner velocidad aumentado, disminuyó la entrada de energía en la piscina de fusión e indirectamente disminuyó el caudal de polvo, y por lo tanto la altura depositada disminuyó notablemente (Figura 4b).

Figure 4
Figura 4: efecto de diferentes parámetros en vía única dimensión. Está claro que como el velocidad de escaneo de láser se reduce el mayor (b), la entrada de energía en la piscina de fusión y el polvo entrega tasa (a) indirectamente disminuye y, en consecuencia, la altura depositada disminuyó notablemente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Estos resultados demuestran claramente la influencia de diferentes parámetros en la geometría de las pistas depositadas. A pesar de proporcionar información valiosa sobre el proceso, la evaluación de la altura depositada es todavía un reto, debido a la variedad de parámetros que participaron. Así, se han realizado algunos esfuerzos para desarrollar una nueva estrategia para evaluar el efecto de la combinación de los parámetros de la geometría de la pista depositada.

Como fue demostrado, la altura de la capa depositada aumenta incrementando la potencia del láser, y se entendió que no era el único parámetro que afecta a la altura de la piscina de fusión. De hecho, en el período de tiempo necesario para fundir un volumen dado de sustrato y depositar una capa adecuada de material fundido, una cierta cantidad de energía y el polvo se debe proporcionar al sustrato. Esta energía no está determinada solamente por la energía del laser y laser scan velocidad, pero también se debe considerar el tamaño del punto láser. Para ello, se calcula la densidad de energía específica por unidad tamaño del punto (E) y polvo densidad (F) de la alimentación para evaluar el efecto de la combinación de estos parámetros.

E, que es la densidad de energía específica, muestra la energía que se entrega en la piscina del derretimiento por el láser y en principio es responsable de derretir el sustrato y el polvo. Esta densidad de energía se expresa como8

Equation 2(1)

Donde E es la densidad de energía específica por tamaño de unidad de punto, P es la potencia del láser (W), v es la velocidad de escaneo de láser (mm/s) y D es el tamaño del punto láser (mm). Para obtener un nivel de deposición adecuado para cada material metálico, hay un cierto nivel de energía por debajo del cual no se pueden lograr enlaces de fusión, y más allá de eso la dilución llega a ser demasiado grande. Otro factor que muestra el efecto de la combinación de parámetros es la densidad del polvo (F), que puede ser calculado como sigue8

Equation 3(2)

Aquí, F es la densidad de la alimentación en polvo, y G es la tasa (g/s) de alimentación de polvo.

Figura 5 muestra la variación de la altura de la capa depositada en función de la densidad de energía específica. Como puede verse, la altura de pistas individuales aumenta incrementando la densidad de energía específica, que puede estar relacionado con la mayor entrada de calor en la mayor densidad de energía de láser. La correlación empírica entre la densidad de energía y la altura del depósito son los siguientes:

h = 14.99 E – 17.85 (3)

De esta ecuación, se puede estimar la altura de pista depositado mediante el cálculo de la densidad de energía específica y esta ecuación. Por otra parte, la variación de la altura depositada como una función de densidad de polvo, que se muestra en la figura 6, demostró que al aumentar la densidad del polvo, la altura de pista depositada aumentado y la relación empírica entre estos puede ser expresado como sigue:

h = 38477 F – 157.06 (4)

Esta ecuación muestra que la altura de pista depositada se puede calcular mediante el cálculo de la densidad del polvo y esta ecuación. Ecuación 3 y ecuación 4 muestran que mediante la combinación de los parámetros y calcular la densidad de energía específica y la densidad de polvo, es posible prever la altura depositada y por lo tanto, encontrar el mejor dominio para lograr la mejor calidad de deposición.

Figure 5
Figura 5: altura de una pista (h) versus la densidad de energía específica (E). La altura de pistas individuales aumentada incrementando la densidad de energía específica, que puede estar relacionado con la mayor entrada de calor en mayor densidad de energía de láser. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 6
Figura 6: altura de una pista (h) como una función de polvo alimento densidad (F). Al aumentar la densidad de la alimentación en polvo, aumentó la altura de pista depositada. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

En la deposición de energía directa de materiales metálicos, h (altura de la capa, o ΔZ) es un factor muy importante que afecta la calidad del componente después de la deposición. En la deposición de energía directa convencional de componentes metálicos, la altura de la capa de deposición se considera una constante y, aparte de la geometría del componente y su material, los parámetros de proceso tal energía del laser y laser velocidad de escaneado optimizado para fabricar el componente final. De hecho, cortar las capas de un espesor constante generalmente se ajusta a los parámetros del proceso. Por lo tanto, este espesor puede alterar manualmente o empíricamente, que sacrifica la calidad del componente y el tipo de fabricación. En general, en capa convencional de corte, sobre o debajo deposition puede lograrse debido a las aproximaciones en la consideración del espesor de capa, que necesita otras correcciones tales como deposición subsecuente o mecanizado de las capas extras (Figura 7a ). Así, en este trabajo se ha realizado esfuerzo para desarrollar una nueva estrategia para determinar el espesor de la capa, según las condiciones del proceso que se utilizan en la producción de componentes.

Figure 7
Figura 7: corte. (a) estrategia de corte convencional, (b) corte nuevo estrategia de acuerdo a los parámetros de proceso óptima; en capa convencional de corte, sobre o debajo deposition puede lograrse debido a las aproximaciones en la consideración del espesor de capa, que necesita otras correcciones, como la deposición posterior o las capas adicionales de mecanizado. En este enfoque, se determina el espesor de la capa para la fabricación de componentes según una altura de una sola capa relacionada con la densidad de energía específica de dos parámetros combinados. E es la densidad de energía específica por tamaño de unidad de punto, F es la densidad de la alimentación en polvo,dep de t es el espesor de una sola capa ycapa de t es el grosor de corte.

De hecho, en este enfoque, se determina el espesor de la capa para la fabricación de componentes según una altura de una sola capa relacionada con la densidad de energía específica de dos parámetros combinados. Para este método de la prueba y comprobar la correlación entre la calidad del componente y el espesor de la capa diferente, algunos cubos simples fueron construidos en varias ΔZ y luego se evaluaron sus secciones transversales.

Figura 8a -b muestran las secciones representativas de bloques de múltiples capas, que fueron elaborados según el método convencional. Como puede verse en la tabla 2, según la estrategia de corte que considera 0,325 mm como el espesor de la capa, la altura deseada del bloque se muestra en la figura 8a es de unos 5,2 mm.. Sin embargo, en el método convencional, se logró la altura final de 10,11 m (deposición de exceso), que es una consecuencia de considerar una alta ΔZ (0,6 mm) durante el proceso. Este proceso de deposición excesiva dio lugar a la falta de fusión entre las capas y un alto nivel de porosidad dentro de la muestra. Por otro lado, figura 8b muestra que, considerando una baja ΔZ, no se puede alcanzar la altura deseada, y esto resulta en un proceso de deposición largo y microestructura indeseable. Estas diferencias implican que en el método convencional, corte las capas de un espesor fijo no generalmente se ajustan a los parámetros del proceso, y así no puede alcanzar el espesor de la capa deseada. Un corte transversal del bloque, que fue producido según la estrategia de corte, se muestra en la figura 9. Como se puede ver a través de considerar un adecuado ΔZ, podría ser posible lograr una excelente precisión dimensional. Sin embargo, la precisión dimensional se puede disminuir en un alto nivel de energía como consecuencia de la alta energía de la entrada, que resulta en la fusión de la capa subyacente. La tabla 2 muestra que mediante el método de corte, se logra un más estable posición de piscina de fusión, y en consecuencia aumenta la precisión dimensional. La figura 9 muestra un bloque que se produce según el enfoque de corte, y como se puede ver usando un apropiado ΔZ (~ 0,5 mm) se obtuvo la altura deseada de la deposición.

Figure 8
Figura 8: ejemplos de las muestras producción por el método convencional. Según la estrategia de corte que considera 0,325 mm como el espesor de la capa, la altura deseada del bloque que se muestra en el panel un debe ser aproximadamente 5,2 mm. Sin embargo, en el método convencional, se logró la altura final de 10,11 m (deposición de exceso), que es una consecuencia de considerar una alta ΔZ (0,6 mm) durante el proceso. Por otro lado, panel b ilustra que, considerando una baja ΔZ, la altura deseada no puede lograrse y resulta en un proceso de deposición largo y microestructura indeseable. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 9
Figura 9: ejemplo de una muestra mediante el enfoque de corte. Confirma que una consideración apropiada ΔZ resulta en una excelente precisión dimensional.

Energía del laser (W) Capa espesor (mm) Número de capas Altura deseada (mm) Depositado altura (mm)
Método convencional 350 0.325 16 5.206 10.114
1500 0.758 8 6.07 3.425
Método de corte 325 0,485 5 7.436 7.245

Tabla 2: comparación entre la altura depositada y la altura deseada en los métodos convencionales y de corte. Demuestra que utilizando el método de corte, se logra un más estable posición de piscina de fusión y, en consecuencia, aumenta la precisión dimensional.

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Discussion

En este trabajo, el foco estaba en el ajuste grueso corte en el proceso DED de Ti-6Al-4V, según la geometría del derretimiento características de piscina. Para ello, un protocolo de dos etapas fue definido y utilizado. La primera parte del protocolo era una optimización de los parámetros del proceso para la deposición de exploración individual y, durante este paso, se alcanzaron los parámetros óptimos y las geometrías de la piscina de fusión fueron medidas. En la segunda parte del Protocolo, se calculó la densidad de energía específica de las muestras en los parámetros óptimos. En este paso, la altura de la piscina del derretimiento fue trazada como una función de densidad de energía y, en este paso fundamental, se logra el espesor de la capa para la deposición multicapa.

En DED, puesto que varios parámetros de proceso alteran el espesor de capas, la deposición de capas con un espesor constante de la capa no puede resultar en una exacta geometría del componente. Esto significa que considerando una capa fija grueso para deposición, independientemente de los parámetros del proceso, conduce a bajo - o sobre - deposition eso produce error geométrico y, en consecuencia, un proceso largo de la producción. El propósito de esta investigación fue explorar la relación entre el procedimiento de ajuste de corte grueso, la altura real depositada y las condiciones de proceso. Se concluyó que a través de la combinación de la geometría de los parámetros de la piscina y proceso de fusión, sería posible determinar el espesor de la capa óptima asociado a los parámetros de proceso específico en un período corto de tiempo con respecto a la métodos tradicionales.

La estrategia de corte utiliza las ecuaciones para obtención la altura de una sola capa relacionada con la densidad de energía específica. El componente final es cortado según la altura de una sola capa para una condición específica del depósito. Con el fin de verificar el método sugerido, algunos bloques fueron producidos según el enfoque de corte. Los resultados de esta investigación han demostrado que utilizando este protocolo, sería posible determinar el espesor de la capa, que es uno de los principales parámetros que se deben considerar correctamente para crear un componente con dimensiones exactas. La única limitación de este protocolo que se puede considerar es la dependencia de los resultados sobre el tipo de material, y por lo tanto este protocolo debe realizarse para cada tipo de material. Además, para aumentar la precisión del ajuste del espesor de capa, el ancho de la piscina del derretimiento puede también considerar en el protocolo. El paso más importante en el protocolo es la medición de la geometría de la piscina de fusión así que cualquier error, incluso los pequeños errores, en este paso pueden resultar en un error significativo en el ajuste de espesor de capa.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Los autores desean reconocer el proyecto de investigación europeo pertenecientes al horizonte 2020 en investigación e innovación programa Borealis - la clase de energía 3A máquina Flexible para el nuevo aditivo y sustractivo de fabricación en la nueva generación de 3D complejas piezas de metal

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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