Productie van enkele Tracks van Ti-6Al-4V door afzetting van gerichte energie om te bepalen van de laagdikte voor gelaagde afzetting

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

In dit onderzoek, is een snelle methode op basis van de karakterisering van het zwembad van de smelt ontwikkeld voor het inschatten van de laagdikte van Ti-6Al-4V onderdelen geproduceerd door afzetting van gerichte energie.

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

Gericht energie afzetting (DED), oftewel een additieve productietechniek, impliceert de oprichting van een gesmolten zwembad met een laserstraal waar metaalpoeder als deeltjes wordt geïnjecteerd. In het algemeen, is deze techniek aangewend om te fabriceren of herstellen van verschillende componenten. Bij deze techniek, worden de definitieve kenmerken beïnvloed door vele factoren. Inderdaad, een van de belangrijkste taken in het bouwen van onderdelen door DED is de optimalisatie van procesparameters (zoals de macht van de laser, laser snelheid, focus, etc.), die meestal door middel van een uitgebreide experimenteel onderzoek wordt uitgevoerd. Dit soort experiment is echter uiterst langdurige en kostbare. Dus, om te versnellen naar de optimization procédé, een onderzoek werd uitgevoerd om het ontwikkelen van een methode gebaseerd op de smelt zwembad karakterisaties. In feite, in deze experimenten, werden enkele nummers van Ti-6Al-4V afgezet door een DED proces met meerdere combinaties van de macht van de laser en laser snelheid. Oppervlakte morfologie en afmetingen van enkele nummers werden geanalyseerd en geometrische eigenschappen van de smelt zwembaden werden geëvalueerd na polijsten en etsen van de dwarsdoorsneden. Nuttige informatie met betrekking tot de selectie van optimale procesparameters kan worden bereikt door het onderzoek van de smelt zwembad functies. Deze experimenten worden uitgebreid om het karakteriseren van de grotere blokken met meerdere lagen. Inderdaad, dit manuscript beschrijft hoe het zou mogelijk zijn om snel te bepalen de laagdikte voor de enorme depositie, en vermijden of onder afzetting volgens de berekende dichtheid van de energie van de optimale parameters. Afgezien van de over of onder depositie zijn tijd en materialen opslaan de andere grote voordelen van deze benadering waarin de afzetting van gelaagde componenten kan worden gestart zonder enige parameter optimalisatie in termen van laagdikte.

Introduction

TI-6Al-4V is de meest gebruikte legering van de Ti in het lucht-en ruimtevaart, vliegtuig, automobiel, en biomedische industrie vanwege zijn hoge sterkte-gewicht verhouding, uitstekende breuk-taaiheid, laag soortelijk gewicht, uitstekende corrosieweerstand en warmte treatability. Echter, de verdere ontwikkelingen in andere toepassingen zijn uitdagend, als gevolg van zijn lage thermische geleidbaarheid en hoge reactiviteit functies, die resulteren in haar arme zaagt. Bovendien, als gevolg van de hitte verharding verschijnselen tijdens het uitsnijden, een soortelijke warmtebehandeling moet worden ondernomen1,2,3,4.

Additief (AM) productietechnologieën toonde echter groot potentieel om te worden gebruikt als nieuwe productietechnieken die kunnen verminderen de prijs en energieverbruik, en ingaan op enkele van de huidige uitdagingen in de fabricage van Ti-6Al-4V legering.

Additieve fabricagetechnieken staan bekend als innovatief en een in de omgeving van netto vorm kunnen fabriceren component in een laag-voor-laag-mode. Een laag-voor-laag additive manufacturing aanpak, die een Computer Aided Design (CAD)-model plakjes in dunne lagen en dan bouwt het onderdeel laag voor laag, is van fundamenteel belang voor alle methoden van de AM. In het algemeen, additieve vervaardiging van metalen voorwerpen kan worden onderverdeeld in vier verschillende processen: poeder bed, poeder (geblazen poeder) voeden, draad feed en andere routes3,5,6.

Gericht energie afzetting (DED) is een klasse van additieve productie en is een proces van geblazen poeder dat driedimensionale (3D) produceert in de buurt van vaste delen van de netto vorm vanuit een CAD-bestand vergelijkbaar met andere methoden van AM. In tegenstelling tot andere technieken, DED kan niet alleen worden gebruikt als een productiemethode, maar ook kan worden gebruikt als een reparatie techniek voor hoogwaardige onderdelen. In het proces van DED, metaalachtig poeder of draad materiaal wordt gevoed door een draaggas of motoren in het zwembad, smelt, dat wordt gegenereerd door de laser beam op ofwel het substraat of eerder laag heeft afgezet. De DED is een veelbelovende geavanceerde fabrieksmatige productie-proces dat in staat van vermindering van de buy-to-fly-verhouding is, en is ook geschikt voor het repareren van hoogwaardige onderdelen die eerder waren onbetaalbaar om te vervangen of onherstelbare7.

Oog op de gewenste geometrische afmetingen en eigenschappen van het materiaal, is het belangrijk om vast te stellen van de juiste parameters8. Verschillende studies hebben plaatsgevonden aan de verheldering van de relatie tussen procesparameters en de uiteindelijke eigenschappen van de gestorte monster. Peyre et al. 9 sommige dunne muren met verschillende procesparameters gebouwd, en hen vervolgens gekenmerkt met behulp van 2D- en 3D-profilometry. Zij toonden aan dat laagdikte en smelt zwembad volume van invloed zijn op de ruwheid parameters merkbaar. Vim et al. 10 voorgesteld een model om te analyseren van de relatie tussen de procesparameters en de geometrische kenmerken van een interne bekleding laag (geklede height, geklede breedte en diepte van penetratie).

Tot op heden, verschillende studies over DED van Ti zijn legeringen gemeld, meest waarvan gericht op de invloed van de combinatie van parameters op Eigenschappen enorme monsters11,,12,4. Rasheedat et al. bestudeerde het effect van scan snelheid en poeder debiet op de resulterende eigenschappen van de laser metalen gedeponeerde Ti-6Al-4V legering. Zij vonden dat door het verhogen van de snelheid van de scan en poeder debiet de microstructuur veranderd van Widmanstätten tot een martensitische microstructuur, wat in een toename van de oppervlakteruwheid en de microhardness van gestorte exemplaren7 resulteert. Echter heeft minder aandacht besteed aan het ontwerpen van de instelling van de dikte van de laag. Choi et al.. hebben onderzocht de correlatie tussen de laagdikte en procesparameters. Zij hebben gevonden dat de belangrijkste bronnen van fout tussen de huidige hoogte en de werkelijke hoogte zijn de poeder massastroom tarief en laag dikte instellen van13. Instelling van de dikte van de laag wordt deed niet goed geïmplementeerd in hun studie omdat ze lang en de onnauwkeurige processen in de laag dikte instelling betrokken. Ruan et al. hebben onderzocht het effect van laser scansnelheid op de laaghoogte van de gedeponeerde op een constante laser macht en poeder voederen tarief14. Zij hebben sommige empirische modellen voorgesteld voor de instelling van de dikte van de laag die zijn verkregen onder bepaalde procescondities, en dus de laag dikte instelling niet mogelijk precieze als gevolg van het gebruik van specifiek proces parameters15. In tegenstelling tot voorgaande werken is de laagdikte instellen proces voorgesteld in dit manuscript een snelle methode die kan worden uitgevoerd zonder verspilling van tijd en materialen.

De belangrijkste focus van dit werk is een snelle methode voor de bepaling van de laagdikte op basis van de kenmerken van de single tracks van de Ti-6Al-4V legering bij optimale DED procesparameters te ontwikkelen. Daarna, zijn de optimale procesparameters werkzaam voor het bepalen van een laagdikte en fabriceren van high-density Ti-6Al-4V blokken zonder verspilling van tijd en materialen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. poeder karakterisering

  1. 3 g Ti-6Al-4V poeders te starten op een kleverige koolstof dubbelzijdige tape, die is gelegen op een aluminium pin stub en invoegen in de kamer van het specimen van een Scannende elektronenmicroscoop (FESEM) van de veld-uitstoot voor het analyseren van de morfologie van de poeder16plaatsen
  2. Meten van de schijnbare dichtheid van het poeder door het invullen van een container van de3 30 cm en het gewicht van poeder volgens de norm ASTM-B212 meet.
  3. Chemische analyses van het starten van poeder (5-10 g), gebruikt poeder (5-10 g) en gedeponeerd blok (20 g) door middel van elemental (b.v., Leco) en inductief gekoppeld plasma (ICP) analyzer17uit te voeren.

2. gericht energie afzetting van enkele Tracks

  1. Poeder laden
    1. Draag persoonlijke beschermende uitrusting, met inbegrip FFP3 respiratoire invoermasker voldoen aan de eisen van nl 149, wegwerp Poedervrije nitril handschoenen en beschermende plastic glazen.
    2. Open de trechter van het poeder voersysteem en een afzuigkap (bijvoorbeeldATEX) gebruiken voor het verwijderen van de resterende poeders.
    3. Verwijder de trechter door de juiste instructies gegeven door de constructor en reinig elke component met behulp van ethanol gedrenkte papieren handdoeken.
      Opmerking: Deze stap is van fundamenteel belang om verontreiniging te voorkomen door verschillende soorten metaalpoeders.
    4. Monteer het poeder hopper voeden door het volgen van de instructies van de constructor. Buiten beschouwing laten alleen het bovenste GLB van de bak om het laden van het poeder.
    5. Laad de hopper met Ti-6Al-4V poeders korrelgrootteverdeling hebben in het bereik van 50-150 µm. afhankelijk van de grootte van de beschikbare bak, vul het volledig.
    6. Sluit de bovenste GLB van de bak zeer strak teneinde eventuele lekkage gas.
  2. Bereiding van het monster
    1. Kies een Ti-6Al-4V blad met afmetingen van 50 mm x 50 mm en 4 mm dikte.
    2. Reinig het oppervlak van het blad van de titanium met ethanol gedrenkte papieren handdoeken. Het gewicht van het blad te meten met een centesimal evenwicht.
    3. Leg het vel op het werkgebied volgens de positie van de markering. Het werkgebied is waar de afzetting zal plaatsvinden, zodat het wordt bepaald volgens de geprogrammeerde pad van de robot.
  3. Voorbereiding van de Robot en de voorbereiding van de depositie-apparatuur
    1. Het mondstuk op de laser hoofd zo monteren dat de hoek tussen het mondstuk en de as van de laser 35 is °.
    2. Verplaatsen de robot naar het beginpunt van de werken uit te voeren van de kalibratie.
    3. De afstand tussen het mondstuk en het vliegtuig werkende te controleren en, indien nodig, handmatig corrigeren het standpunt van het mondstuk tot de gemeten afstand 5 mm is.
      Opmerking: Aangezien het werkgebied op een horizontaal vlak legt, deze afstand is de verticale afstand tussen de metalen plaat en het uiteinde van de verstuiver.
    4. Controleer de centrering van het mondstuk stopcontact met de laser: eerst, de gids van de laser inschakelen door te klikken op de opdracht "Laser Guide ON" in de software voor de controle van de laser. Dan, zet een dunne staaf, meten van 0,8 mm in diameter en 200 mm in lengte, binnen het mondstuk. Controleer of de punt van de staaf en de plek van de laser-gids samenvallen. Als dat niet het geval is, de positie van de verstuiver, met inachtneming van de afstanden en hoeken eerder aangegeven handmatig aanpassen.
      Opmerking: In dit geval de buitendiameter van de verstuiver is 1 mm; Als een mondstuk met een kleinere diameter wordt gebruikt, gebruikt u een staaf waarvan buitendiameter kleiner dan dat van de verstuiver is.
    5. Controleer of de kalibratiegegevens geschreven in de robot controlesoftware: Klik op de knop "Apply" op de software, en wacht voor de opstelling van de code.
      Opmerking: De software zal controleren op fouten in de code; Als er geen fouten zijn gevonden, wordt de code opgeslagen op de robot controller. Als er fouten worden gedetecteerd, de code zal niet worden gecompileerd en verdere herziening nodig zal zijn.
    6. Activeer de laser bron module door te klikken op de opdracht 'Laser inschakelen' in de software van de controle van de laser.
      Opmerking: De werknemer laserbron is een continue fiberlaser uitstoten in de infrarood-regio (1064 nm) met 5 kW maximaal vermogen.
    7. Inschakelen van de robot de motoren door manueel het duwen van de knop "Robot motoren op" op de schakelkast van de robot, en controleer dat de gerelateerde veiligheid LED verlicht: als dus, dat betekent dat de motoren zijn ingeschakeld.
  4. De depositie te starten
    1. Selecteer het juiste bestand op de bestaande programmalijst en laadt het pad van de werken in de belangrijkste robot routine.
    2. Controleer de parameters laser en robot: Stel de macht van de laser om de macht van de specifieke laser (325, 650, 980, 1500 W) en de snelheid van de robot op een bepaalde snelheid (30, 40, 50, 60 mm/s).
      Opmerking: Deze parameters zijn geschreven in de controlesoftware van de robot, volgens de specifieke taal van de machine.
    3. De nieuwe parameters te bevestigen door het indrukken van de knop "Apply" op de software, en wacht voor de opstelling van de code. De software zal controleren op fouten in de code; Als er geen fouten worden gedetecteerd, de code is opgeslagen op de robot controller en het is klaar voor de start. Start de robot-routine door te drukken de knop "START" op de robot controlesoftware.
  5. Het monster met behulp van de speciale nipper halen en reinigen van het oppervlak van de steekproef met een ethanol gedrenkte papieren handdoek voor het verwijderen van alle resterende poeder.

3. Analyseer de Single Tracks

  1. Analyseer de enkele tracks van de bovenkant door een stereomicroscoop bij 5 X vergroting.
    Opmerking: In dit stadium, sommige beelden zijn genomen door middel van een stereo microscoop en visueel geanalyseerd.
  2. Snijden de enkele tracks uit het midden van de gedeponeerde tracks loodrecht op de afzetting met behulp van een hulpprogramma exact snijden.
  3. Monteer de doorsnede van enkele tracks in epoxyhars. Kies een montage kop en plaats van het schoon en droog model erin. Meet de juiste hoeveelheid hars zorgvuldig door gewicht (10 g/sample) en meng met een vloeibare verharder (6 g/sample). Het hars-mengsel giet in het model en laat de gevulde montage cups te genezen gedurende 30 minuten bij kamertemperatuur. Daarna vermalen van de gemonteerde specimens met 500, 800 en 1200 grit SiC papierformaat, en vervolgens polijsten met behulp van diamant plakken neer aan de fijnere grootte van diamant deeltjes (1 µm).
  4. De gepolijste oppervlakken in termen van vorm en porositeit analyseren door middel van een optische Microscoop. Verwerven van de beelden van smelt zwembaden met de optische Microscoop op 10 X vergroting, en deze vervolgens te analyseren met behulp van beeld-J software.
  5. Meet de hoogte van de smelt zwembaden door het meten van de afstand tussen de bovenkant en de bodem van het zwembad van de smelt. Daarna de gemeten hoogte van smelt zwembaden worden uitgezet als functie van de specifieke dichtheid van de energie, die is berekend op basis van de bijbehorende vergelijking. Inderdaad, de energiedichtheid kan worden berekend door de volgende vergelijking:
    Equation 1
  6. Past een polynomiale 2nd -volgorde op de experimentele resultaten te verkrijgen van de vergelijking die overeenkomt met de laagdikte als een functie van de specifieke dichtheid van de energie.
  7. Overwegen een specifieke dichtheid van de energie, en bereken de laagdikte volgens hun relatie, die werd waargenomen in de vorige stap.
  8. Controleer de methode, het fabriceren van een gelaagde blok door te overwegen de berekende laagdikte en vervolgens het karakteriseren van de sectie van blokken in termen van porositeit en definitieve hoogte.
  9. De microstructuur van het gefabriceerde blok analyseren nadat een polijsten stap in dezelfde procedure als punt 3.3. In feite, na het laatste polijsten, etch de monsters voor 30 s met Kroll de reagens, waarin 92 mL gedestilleerd water, 6 mL salpeterzuur en 2 mL waterstoffluoride.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Voor de experimentele studies, was onregelmatige Ti-6Al-4V poeder met een gemiddelde grootte van 50-150 µm en schijnbare dichtheid van 1.85 g/cm3 werkzaam als storten materiaal (Figuur 1). De chemische analyse van het poeder bevestigd dat de inhoud van het zuurstof en stikstof van het poeder niet veranderde vóór en na het proces van de depositie, terwijl in beide gevallen het zuurstofgehalte hoger was dan het standaard zuurstofgehalte van Ti-6Al-4V poeder voor additive manufacturing (< 0,13%). De inhoud van het zuurstof en stikstof van de bulk onderdelen stegen echter na de afzetting.

Figure 1
Figuur 1: beginnen Ti-6Al-4V poeder wordt gebruikt als het materiaal deponeren. Dit is een onregelmatige poeder met een gemiddelde grootte van 100-150 µm en schijnbare dichtheid van 1.85 g/cm3.

C S Al Fe H N O V TI
Verse poeder 0,017 < 0,001 5.83 0.08 0.013 0,022 0.23 3,89 Bal.
Gebruikte poeder 0.016 < 0,001 5.86 0.08 0,012 0.02 0.22 3,87 Bal.
Bulk component 0.021 0,001 5.78 0.08 0,012 0.058 0.28 3.8 Bal.
Standaard < 0.08 -- 5.5-6.5 < 0,25 < 0,012 < 0,05 < 0.13 3,5-4,5 Bal.

Tabel 1: de chemische samenstelling van Ti-6Al-4V poeder vóór en na afzetting (percentage van het gewicht). Het laat zien dat de inhoud van het zuurstof en stikstof van het poeder niet wijzigt vóór en na het proces van de depositie, terwijl in beide gevallen het zuurstofgehalte hoger is dan het standaard zuurstofgehalte van Ti-6Al-4V poeder voor additieve productie wordt.

Figuur 2 toont de single tracks van de Ti-6Al-4V gelegeerd na afzetting op verschillende kracht van de laser en laser scansnelheid. Zoals kan worden gezien door de laser macht vergrootte en het verminderen van de laser scan snelheid, de grootte van enkele nummers verhoogd.

Figure 2
Figuur 2: Single tracks van de Ti-6Al-4V legering na afzetting. Deze single tracks zijn gedeponeerd bij de kracht van de verschillende laser en laser scan snelheid en geanalyseerd vanaf de bovenkant. Door het vergroten van de kracht van de laser en het verminderen van de laser scansnelheid, hun grootte verhoogd.

Figuur 3 toont de doorsnede van enkele tracks na de afzetting, en door het verhogen van de kracht van de laser, de hoogte van enkele tracks aanzienlijk toegenomen. Bovendien steeg de hoogte van de depositie door het verlagen van de snelheid van de scan laser op een constante laser kracht, terwijl, bij lage laser kracht en zeer hoge laser scan snelheid, werd de hoogte van de depositie te verwaarlozen. Ondanks de hoogte van het smelt-zwembad was de vorming van de porositeit binnenzwembad van het smelten, met name in de buurt van de interface van de smelt zwembad/fusion zone ruimte, een ander verschijnsel dat bleek na de afzetting.

Figure 3
Figuur 3: dwarsdoorsnede van enkele nummers na de afzetting. Door het verhogen van de kracht van de laser en de laser scan snelheid minderen, daalde de hoogte van de smelt zwembad. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

De verhouding tussen de hoogte van het nummer en de verschillende proces parameter wordt weergegeven in Figuur 4. De hoogte van enkele tracks met verschillende laser scan snelheden verhoogd doordat de kracht van de laser, die suggereert dat de kracht van de laser tot een bepaald punt een positief effect op de hoogte van de depositie (figuur 4a heeft). Echter, na dat kritieke punt, de kracht van de laser negatieve gevolgen voor de groei van de afzetting als gevolg van de levering van teveel energie in het zwembad van de smelt. Bovendien bleek dat als de laser scansnelheid verhoogd, het energieverbruik in de smeltende pool werd verminderd en het poeder levering tarief werd niet indirect verlaagd, en bijgevolg de gedeponeerde hoogte opmerkelijk daalden (figuur 4b).

Figure 4
Figuur 4: Effect van verschillende procesparameters op één spoor dimensie. Het is duidelijk dat als de laser scansnelheid toegenomen (b), de energie-input in het smeltende zwembad wordt verminderd en het poeder levering tarief (a) is niet indirect daalde en, bijgevolg, de gedeponeerde hoogte daalden opmerkelijk. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Deze resultaten tonen duidelijk aan dat de invloed van verschillende procesparameters op de geometrie van gedeponeerde tracks. Ondanks het verstrekken waardevolle inzicht in het proces, is de beoordeling van de gedeponeerde hoogte nog uitdagend, wegens de verscheidenheid van parameters die betrokken waren. Dus, enkele inspanningen zijn ondernomen om een nieuwe strategie om te evalueren van het effect van de combinatie van procesparameters op de geometrie van gedeponeerde track te ontwikkelen.

Zoals bleek, de hoogte van gedeponeerde laag verhoogd doordat de kracht van de laser en werd duidelijk dat dit niet de enige parameter die van invloed is op de hoogte van de smeltende zwembad was. In feite, gedurende de tijd die nodig is om te smelten van een bepaald volume van het substraat en stort een passende laag van gesmolten materiaal, moet een bepaalde hoeveelheid energie en poeder aan het substraat worden verstrekt. Deze energie wordt niet alleen bepaald door de kracht van de laser en laser scan snelheid, maar ook de laser ter plaatse grootte moet worden beschouwd. Voor dit doel, is de specifieke dichtheid van de energie per eenheid ter plaatse grootte (E) en poeder feed dichtheid (F) berekend om te evalueren van het effect van de combinatie van deze parameters.

E, die de specifieke energiedichtheid is, toont de energie die wordt geleverd in het zwembad van het smelten van de laser, en in principe is verantwoordelijk voor het smelten van het substraat en poeder. Deze energiedichtheid is uitgedrukt als8

Equation 2(1)

Waar E de specifieke dichtheid van de energie per eenheid ter plaatse grootte, P is de kracht van de laser (W), v is de laser scan snelheid (mm/s), en D is laser spot grootte (mm). Voor het verkrijgen van een juiste afzetting niveau voor elke metaalachtig materiaal, er is een zekere mate van energie waarbeneden geen fusie obligaties kunnen worden bereikt, en dan de verdunning te groot wordt. Een andere factor die het effect van de combinatie van parameters toont is de dichtheid van poeder (F), die kan worden berekend als volgt8

Equation 3(2)

Hier, F is het poeder feed dichtheid, en G is de poeder voederen tarief (g/s).

Figuur 5 toont de variatie van gedeponeerde laaghoogte als functie van de specifieke dichtheid van de energie. Zoals gezien kan worden, de hoogte van enkele nummers verhoogd doordat de specifieke dichtheid van de energie, die kunnen worden gerelateerd aan de hogere warmte-inbreng bij de hogere dichtheid van de energie van de laser. De empirische correlatie tussen de dichtheid van de energie en de hoogte van de depositie zijn als volgt:

h = 14,99 E – 17,85 (3)

Uit deze vergelijking, kan de hoogte van gedeponeerde track worden geschat door de berekening van de specifieke energiedichtheid en deze vergelijking. Aan de andere kant, bleek de variatie van gedeponeerde hoogte als functie van de dichtheid van het poeder, die wordt weergegeven in Figuur 6, dat door het verhogen van de dichtheid van het poeder, de hoogte van gedeponeerde track verhoogd, en de empirische relatie hiertussen kan worden als volgt uitgedrukt:

h = 38477 F-157.06 (4)

Deze vergelijking laat zien dat de hoogte van gedeponeerde track door het berekenen van de dichtheid van het poeder en deze vergelijking kan worden berekend. EQ. 3 en Eq. 4 blijkt dat met behulp van de combinatie van procesparameters en berekening van de specifieke energie dichtheid en dichtheid van het poeder, is het mogelijk om te voorspellen de gedeponeerde hoogte, en bijgevolg het vinden van de beste domein de beste kwaliteit van de depositie te bereiken.

Figure 5
Figuur 5: één spoor hoogte (h) versus specifieke dichtheid van de energie (E). De hoogte van enkele nummers verhoogd doordat de specifieke dichtheid van de energie, die kunnen worden gerelateerd aan de hogere warmte-inbreng bij hogere dichtheid van de energie van de laser. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 6
Figuur 6: één spoor hoogte (h) als een functie van poeder feed dichtheid (F). Door het verhogen van het poeder feed dichtheid, de hoogte van gedeponeerde track verhoogd. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

In directe energie afzetting van metalen voorwerpen is h (de laaghoogte of ΔZ) een zeer belangrijke factor die na de afzetting van invloed is op de kwaliteit van de component. In de traditionele directe energie afzetting van metalen onderdelen, de hoogte van de depositie-laag wordt beschouwd als een constante en, afgezien van de geometrie van de component en het materiaal, de procesparameters waren dergelijke macht van de laser en laser scansnelheid geoptimaliseerd voor het fabriceren van het laatste onderdeel. Inderdaad, snijden de lagen in een constante dikte meestal voldoet niet aan de procesparameters. Daarom kan deze dikte worden gewijzigd handmatig of empirisch, die de kwaliteit van component en het tarief van de fabricage offert. In het algemeen in conventionele laag snijden, kan over of onder deposition worden bereikt als gevolg van de benaderingen bij de behandeling van de laagdikte, waarvoor verdere correcties zoals latere afzetting of machinale bewerking van de extra lagen (figuur 7a ). Dus, in dit werk, inspanning is verricht aan het ontwikkelen van een nieuwe strategie om te bepalen van de laagdikte, volgens de voorwaarden van proces, die worden gebruikt in de productie van componenten.

Figure 7
Figuur 7: snijden. (a) conventionele segmenteringshulplijnen strategie, (b) nieuwe snijden strategie volgens de optimale procesparameters; in conventionele laag snijden, kan over of onder deposition worden bereikt als gevolg van de benaderingen bij de behandeling van de laagdikte, waarvoor verdere correcties, zoals de latere afzetting of machinale bewerking van de extra lagen. In deze benadering, wordt de laagdikte voor de fabrikatie van component bepaald volgens een enkellaags hoogte aan de specifieke energiedichtheid van twee gecombineerde parameters gerelateerde. E is de specifieke dichtheid van de energie per eenheid ter plaatse grootte, F is de poeder feed dichtheid tdep is de enkellaags dikte en tlaag is de dikte van het segment.

In feite, in deze benadering, wordt de laagdikte voor de fabrikatie van component bepaald volgens een enkellaags hoogte aan de specifieke energiedichtheid van twee gecombineerde parameters gerelateerde. Om het bewijs van deze methode en controleren van de correlatie tussen de kwaliteit van de component en andere laagdikte, sommige eenvoudige kubussen werden gebouwd in verschillende ΔZ en vervolgens hun kruissecties werden geëvalueerd.

Figuur 8a -b Toon de representatieve dwarsdoorsneden van multilayer-blokken, die zijn geproduceerd volgens de conventionele methode. Zoals te zien is in tabel 2, volgens de segmenteringshulplijnen strategie die 0.325 mm als de laagdikte acht, moet de gewenste hoogte van het blok weergegeven in figuur 8a ongeveer 5,2 mm. Echter, de conventionele methode, de definitieve hoogte van 10.11 mm (overmatige afzetting) geboekt, dat is een gevolg van een hoge ΔZ (0.6 mm) rekening wordt gehouden bij het proces. Deze overmatige afzetting proces resulteerde in het ontbreken van een fusie tussen de lagen en een hoog niveau van porositeit binnen het model. Aan de andere kant, figuur 8b illustreert dat door te overwegen van een lage ΔZ, de gewenste hoogte kan niet worden bereikt en dit resulteert in een proces van lange afzetting en ongewenste microstructuur. Deze verschillen betekenen dat in de conventionele methode, snijden de lagen in een vaste dikte meestal niet aan de procesparameters voldoet en dus de gewenste laagdikte kan niet worden bereikt. Een dwarsdoorsnede van het blok, die werd geproduceerd volgens de segmenteringshulplijnen strategie, is weergegeven in afbeelding 9. Zoals kan worden gezien door een passende ΔZoverweegt, zou het mogelijk zijn om de uitstekende dimensionale nauwkeurigheid. Echter kan de dimensionale nauwkeurigheid worden verlaagd op een hoog niveau van laser macht als gevolg van de hoge input energie, wat resulteert in het smelten van de onderliggende laag. Uit tabel 2 blijkt dat door de segmenteringshulplijnen methode, een meer stabiele smelten zwembad standpunt kan worden bereikt, en bijgevolg de dimensionale nauwkeurigheid verhoogt. Figuur 9 toont een blok die wordt geproduceerd volgens de benadering van het snijden, en zoals kan worden gezien met behulp van een geschikte ΔZ (~ 0,5 mm) de gewenste hoogte van afzetting is verkregen.

Figure 8
Figuur 8: voorbeelden van specimens geproduceerd door de conventionele methode. Volgens de segmenteringshulplijnen strategie die 0.325 mm als de laagdikte acht, moeten de gewenste hoogte van het blok die wordt weergegeven in het deelvenster een ongeveer 5,2 mm. Echter, de conventionele methode, de definitieve hoogte van 10.11 mm (overmatige afzetting) geboekt, dat is een gevolg van een hoge ΔZ (0.6 mm) rekening wordt gehouden bij het proces. Aan de andere kant, illustreert deelvenster b dat door te overwegen een lage ΔZ, de gewenste hoogte kan worden verwezenlijkt, en in een proces van lange afzetting en ongewenste microstructuur resulteert. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 9
Figuur 9: voorbeeld van een monster vervaardigd door de segmenteringshulplijnen aanpak. Het bevestigt dat een juiste ΔZ overweging in een uitstekende dimensionale nauwkeurigheid resulteert.

Laser vermogen (W) Laagdikte (mm) Aantal lagen Gewenste hoogte (mm) Gedeponeerde hoogte (mm)
Conventionele methode 350 0.325 16 5.206 10.114
1500 0.758 8 6,07 3.425
Snijden van methode 325 0.485 5 7.436 7.245

Tabel 2: vergelijking tussen de gedeponeerde hoogte en de gewenste hoogte in conventionele en snijden methoden. Hieruit blijkt dat met de segmenteringshulplijnen methode, een meer stabiele smelten zwembad standpunt kan worden bereikt en, bijgevolg, de dimensionale nauwkeurigheid verhoogt.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

In dit werk lag de focus op de segmenteringshulplijnen dikte-instelling in het DED proces van Ti-6Al-4V, volgens de geometrie van de smelt zwembad kenmerken. Voor dit doel, was een tweestaps-protocol gedefinieerd en gebruikt. Het eerste deel van het protocol was een optimalisering van procesparameters voor één scan afzetting tijdens deze stap, de optimale parameters werden bereikt en de smelt zwembad geometrieën werden gemeten. In het tweede deel van het protocol, werd de specifieke energiedichtheid van monsters bij de optimale parameters berekend. In deze stap, de hoogte van het smelt-zwembad was uitgezet als functie van dichtheid van de energie en, in deze kritieke stap, de laagdikte van de gelaagde afzetting kan worden bereikt.

In DED, aangezien verschillende procesparameters de dikte van de lagen veranderen, de afzetting van lagen met een constante laagdikte kan leiden tot een nauwkeurige geometrie van het onderdeel. Het betekent dat gezien een vaste laag dikte voor afzetting, ongeacht procesparameters, tot onder - of over - deposition dat leidt tot geometrische fout en dus een lange productieproces leidt. Het doel van dit onderzoek was om te verkennen van de relatie tussen de segmenteringshulplijnen dikte instelling procedure, de werkelijke gedeponeerde hoogte en de voorwaarden van het proces. Geconcludeerd werd dat door de combinatie van de geometrie van de parameters voor zwembad en proces van smelten, zou het mogelijk zijn om te bepalen van de optimale laagdikte die is gekoppeld aan de specifieke procesparameters in een kortere periode met betrekking tot de traditionele methoden.

De segmenteringshulplijnen strategie gebruikt de vergelijkingen die de enkellaags hoogte aan de specifieke energiedichtheid gerelateerde verkrijgen. Het laatste onderdeel is gesneden volgens de enkellaags hoogte voor een specifieke deponeren aandoening. Om te verifiëren of de voorgestelde methode, waren sommige blokken geproduceerd volgens de segmenteringshulplijnen aanpak. De resultaten van dit onderzoek is gebleken dat door gebruik te maken van dit protocol, zou het mogelijk zijn om te bepalen van de laagdikte, die behoort tot de belangrijkste parameters die goed moeten worden overwogen om te bouwen van een component met nauwkeurige afmetingen. De enige beperking voor dit protocol die kan worden beschouwd is de afhankelijkheid van de uitkomsten van het soort materiaal en dus dit protocol moet worden uitgevoerd voor elk soort materiaal. Bovendien vergroten de nauwkeurigheid van de instelling van de dikte van de laag, kan de breedte van de smelt-pool ook worden beschouwd in het protocol. De belangrijkste stap in het protocol is de meting van de geometrie van de zwembad smelten zo dat elke fout, zelfs kleine fouten, in deze stap kunnen leiden tot een significante tekortkomingen in de instelling van de dikte van de laag.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

De auteurs wil erkennen het Europese onderzoeksproject die behoren tot de Horizon 2020-programma voor onderzoek en innovatie Borealis - de energieklasse van 3A flexibele Machine voor de nieuwe additieve en subtractieve productie op de volgende generatie van complexe 3D metalen onderdelen

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