Produksjonen av ett spor av Ti-6Al-4V av rettet energi avsetning å angi lag tykkelsen til flerlags deponering

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

I denne forskningen, er en rask metode basert på smelte bassenget karakterisering utviklet for å beregne lag tykkelsen på Ti-6Al-4V komponenter produsert av rettet energi deponering.

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

Rettet energi avsetning (DED), som er en additiv produksjon teknikk, er å skape en smeltet bassenget med en laserstråle der metall pulver injiseres som partikler. Generelt, er denne teknikken ansatt å dikte eller reparere ulike komponenter. I denne teknikken påvirkes siste egenskapene av mange faktorer. Faktisk er en av de viktigste oppgavene i bygningsdeler av DED optimalisering av prosess parametere (som laser makt, laser hastighet, fokus, etc.) som vanligvis utføres gjennom en omfattende eksperimentell undersøkelse. Men er denne typen eksperiment svært lang og kostbar. Dermed for å akselerere optimaliseringsprosessen, ble etterforskning gjennomført for å utvikle en metode basert på smelte bassenget karakteristikk. Faktisk i disse eksperimentene, ble enkelt spor av Ti-6Al-4V avsatt en DED prosess med flere kombinasjoner av laser makt og laser. Overflaten morfologi og dimensjoner av ett spor ble analysert og geometriske kjennetegner smelte bassenger ble vurdert etter polering og etsing av tverrsnitt. Nyttig informasjon om valg av optimal prosess parametere kan oppnås ved å undersøke funksjonene smelte bassenget. Disse eksperimentene utvides betegner de store blokkene med flere lag. Faktisk beskriver dette manuskriptet hvordan det ville være mulig å raskt fastslå lagtykkelse for massiv avsetning, og unngå over eller under deponering i henhold til den beregnede energi-tettheten av optimale parametere. Bortsett fra den over eller under deponering er tid og materialer lagring de andre store fordelene av denne tilnærmingen som avsetning av flerlags komponenter kan startes uten noen parameteren optimalisering i form av lagtykkelse.

Introduction

Ti-6Al-4V er mest brukte Ti legering i luftfart, fly, bil- og biomedisinsk bransjer på grunn av sin høye styrke-til-vekt forhold, utmerket Slagseighet, lav egenvekt, utmerket korrosjonsbeskyttelse og varme treatability. Men de videre utviklingen i andre programmer er utfordrende, på grunn av sin lav termisk konduktivitet og høy reaktivitet funksjoner, som føre sin dårlig machinability. Videre, på grunn av varme herding fenomener under skjæring, en spesifikk varmebehandling må være foretatt1,2,3,4.

Likevel, additiv produksjon (AM) teknologier viste stort potensial som nye produksjonsteknikker kan redusere prisen og energiforbruk, og ta opp noen av de gjeldende utfordringene i fabrikasjon av Ti-6Al-4V legering.

Additiv produksjonsteknikker er kjent som nyskapende og kan utvikle en nær netto figur i lag-på-lag mote. En lag-på-lag additiv produksjon tilnærming som skiver datamaskinen datastøttet Design (CAD) modell i tynne lag, og deretter bygger komponenten lagvis, er grunnleggende for alle AM metoder. Generelt, additiv produksjon av metalliske materialer kan deles inn i fire ulike prosesser: pulver bed, pulver feed (blåst pulver), trådmating og andre ruter3,5,6.

Regissert Energy avsetning (DED) er en klasse av additiv produksjon og er en blåst pulver prosess som fabricates tredimensjonale (3D) nær netto form solid deler fra en CAD-fil som ligner andre AM metoder. Motsetning til andre teknikker, DED kan ikke bare brukes som en metode for produksjon, men også kan brukes som en reparasjon teknikk for høy verdi deler. I DED prosessen, metallisk pulver eller wire materiale er matet av en transportør gass eller motors inn smelte bassenget, som genereres av laser stråle på begge underlaget eller tidligere avsatt lag. DED prosessen er en lovende avanserte produksjonsprosess som kan redusere kjøpe å fly forholdet, og også er i stand til å reparere høy verdi deler som tidligere var uoverkommelig dyrt å erstatte eller uopprettelig7.

For å oppnå ønsket geometriske dimensjoner og materialegenskaper, er det viktig å etablere riktige parameterne8. Flere studier har vært gjennomført å belyse forholdet mellom parameterne prosessen og egenskapene endelig avsatt prøven. Peyre et al. 9 bygget noen tynne vegger med annen prosess parametere, og deretter preget dem ved hjelp av 2D- og 3D-profilometry. De viste at lagtykkelse og smelte bassenget volum påvirker råhet parameterne merkbart. Vim et al. 10 foreslått en modell for å analysere forholdet mellom prosessen parameterne og geometriske kjennetegner et enkelt kledning lag (kledd høyde, kledd bredde og dybde av gjennomtrengning).

Til dags dato, flere studier av DED av Ti er legeringer rapportert, mest som fokuserte på påvirkning av kombinasjonen av parametere på egenskaper av massiv prøver11,12,4. Rasheedat et al. studerte effekten av skanning fart og pulver strømningshastighet på egenskapene resulterende laser metall avsatt Ti-6Al-4V legering. De fant at ved å øke skannehastighet og pulver strømningshastighet på mikrostruktur endret fra Widmanstätten til en martensitiske mikrostruktur, som resulterer i en økning av overflateruhet og microhardness av avsatt prøver7. Likevel er mindre oppmerksomhet betalt til å designe innstillingen lag tykkelse. Choi et al. har undersøkt sammenhengen mellom lagtykkelse og prosess parametere. De har funnet at de viktigste kildene til feil mellom den nåværende høyden og faktiske høyden er pulver masse flow rate og lag tykkelse angi13. Sine studier implementere ikke riktig lag breddeinnstilling fordi de involverte lange og unøyaktig prosesser i innstillingen lag tykkelse. Ruan et al. har undersøkt effekten av laser skanning fart på avsatt lag høyden på konstant laser makt og pulver fôring rate14. De har foreslått noe empirisk modeller for laget breddeinnstilling som ble innhentet under bestemte filmfremkalling vilkår, og dermed breddeinnstilling lag kan ikke være presis på grunn av bruken av bestemt prosess parametere15. I motsetning til tidligere verker er lagtykkelse sette prosessen foreslått i dette manuskriptet en rask metode som kan utføres uten å kaste bort tid og materialer.

Hovedfokuset i dette arbeidet er å utvikle en rask metode for fastsettelse av lagtykkelse basert på egenskapene til de eneste sporene av Ti-6Al-4V legeringen på optimal DED prosess parametere. Deretter er parameterne optimal prosessen ansatt for å finne et lagtykkelse og dikte høy tetthet Ti-6Al-4V blokker uten å kaste bort tid og materialer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. pulver karakteristikk

  1. Sette 3 g starter Ti-6Al-4V pulver på et tosidig klissete karbon bånd, som ligger på en aluminium pin spire, og sette inne prøven kammer av et felt-utslipp Scanning elektronmikroskop (FESEM) til å analysere morfologi av pulver16.
  2. Måle åpenbare tettheten av pulver ved å fylle en 30 cm3 beholder, og måle vekten av pulver ASTM-B212 standard.
  3. Utføre kjemisk analyse av pulver (5-10 g), brukes pulver (5-10 g), og deponert blokk (20 g) ved hjelp av elemental (f.eksLeco) og Induktivt kombinert plasma (ICP) analyzer17.

2. rettet energi deponering av ett spor

  1. Pulver lasting
    1. Bruk personlig verneutstyr, inkludert en FFP3 åndedretts maske kompatibel kravene til EN 149 Pudderfrie disponibel nitrilhansker og beskyttende plastglass.
    2. Åpne hopper av pulver fôring systemet og bruke en extractor fan (f.eksATEX) til å fjerne de gjenværende pulver.
    3. Fjern beholderen ved å følge instruksjonene gitt av konstruktøren og rengjør hver komponent ved hjelp av etanol-gjennomvåt papirhåndklær.
      Merk: Dette trinnet er grunnleggende for å unngå forurensning av forskjellige typer metall pulver.
    4. Montere pulveret fôring hopper ved å følge instruksjonene gitt av konstruktøren. La til side bare topp hetten hopper for å utføre lasting av pulver.
    5. Laster hopper med Ti-6Al-4V pulver har granulometry mellom 50-150 µm. avhengig av tilgjengelige hopper, fylle den helt.
    6. Lukk øvre lokket av beholderen svært tett for å unngå eventuelle gasslekkasjer.
  2. Utarbeidelse av prøven
    1. Velg et Ti-6Al-4V ark med 50 x 50 mm dimensjoner og 4 mm tykkelse.
    2. Rengjør overflaten av Titan etanol-gjennomvåt papirhåndklær. Måle vekten av arket med en centesimal balanse.
    3. Plassere arket på arbeidsområdet etter plasseringen til markøren. Arbeidsområdet er der avsetning finner sted, så det fastslås ifølge programmert banen til roboten.
  3. Forberedelse av Robot og utarbeidelse av avsetning utstyret
    1. Montere munnstykket på laser hodet slik at vinkelen mellom den munnstykke og laser aksen er 35°.
    2. Flytt roboten til utgangspunktet arbeider å utføre kalibreringen.
    3. Kontroller avstanden mellom munnstykket og arbeider flyet og eventuelt manuelt korrigere munnstykke posisjonen til målt avstand er 5 mm.
      Merk: Siden arbeidsområdet legger på et horisontalt plan, denne avstanden er den loddrette avstanden mellom tynnplater og tuppen av munnstykket.
    4. Sjekk sentrering av dysen stikkontakten med laser: først slå på laser TV-guiden ved å klikke "Laser Guide på" på programvaren for kontroll av laser. Deretter satte en tynne stanga, måler 0,8 mm i diameter og 200 mm i lengde, i munnstykket. Kontroller at tuppen av stangen og stedet for laser er sammenfallende. Hvis ikke, må du manuelt justere plasseringen av dysen, respektere avstander og vinkler tidligere indikert.
      Merk: I dette tilfellet den ytre diameteren av dysen er 1 mm; Hvis en dyse med mindre diameter er ansatt, kan du bruke en stang som diameter er mindre enn munnstykket.
    5. Verifisere kalibrering data skrevet inn i robotprogramvare: Klikk "Apply"-knappen på programvaren, og vente på samling av koden.
      Merk: Programmet vil se etter feil i koden; Hvis ingen feil oppdages, lagres koden på robot-kontrolleren. Hvis feil oppdages, koden vil ikke bli kompilert og ytterligere revisjonen vil være nødvendig.
    6. Aktiver modulen laser kilde ved å klikke kommandoen "Laser Aktiver" på laser kontroll programvare.
      Merk: Ansatt laser kilden er en kontinuerlig fiber laser emitting i infrarøde regionen (1064 nm) med 5 kW maksimal.
    7. Aktivere robotens motorer ved manuelt å trykke på knappen "Robot motorer på" i kontroll skapet av roboten, og kontroller at de relaterte sikkerheten LED lyser: om så det betyr at motorene er aktivert.
  4. Starte deponering prosessen
    1. Velg riktig filen på eksisterende programlisten og laste inn arbeidsmappen bane i viktigste robot rutinen.
    2. Kontrollerer laser og robot parameterne: sette laser makt til bestemte laser makt (325, 650, 980, 1500 W) og robot hastigheten til en gitt hastighet (30, 40, 50, 60 mm/s).
      Merk: Disse parameterne er skrevet inn i Kontrollprogramvaren til roboten, i henhold til bestemte språket av maskinen.
    3. Bekreft nye parametere ved å trykke på knappen "Bruk" på programvare, og vente på samling av koden. Programmet vil se etter feil i koden; Hvis ingen feil oppdages, koden lagres på robot-kontrolleren og den er klar til å bli lansert. Starte robot rutinen ved å trykke på "START"-knappen på den robot programvaren.
  5. Plukk opp prøven ved hjelp av den spesielle nipper og flaten utvalg med en etanol-gjennomvåt tørkepapir for å fjerne eventuelle gjenværende pulver.

3. analysere enkelt spor

  1. Analysere enkelt spor fra toppen av en stereo mikroskopet på 5 X forstørrelse.
    Merk: I denne fasen, er noen bilder tatt ved hjelp av en stereo mikroskop og analysert visuelt.
  2. Klipp enkelt spor fra midten av avsatt sporene vinkelrett på deponering retningen ved hjelp av en presis skjærende verktøy.
  3. Montere tverrsnitt av enkelt spor i epoxy harpiks. Velg en montering kopp og plasser ren og tørr prøven i den. Måle den riktige mengden harpiks nøye vekt (10 g/sampling) og bland med en flytende Herder (6 g/sampling). Hell harpiks-blandingen over prøven og la fylt montering koppene å kurere i 30 min ved romtemperatur. Deretter slipe de monterte prøvene med 500 og 800 1200 grus SiC papir, og deretter polsk av diamant lim til den finere størrelsen av diamant partikler (1 µm).
  4. Analysere polerte overflater i form og porøsitet ved hjelp av en optisk mikroskop. Hente bilder av smelte bassenger med optisk mikroskopet på 10 X forstørrelse, og deretter analysere dem ved hjelp av Image-J programvare.
  5. Måle høyden på smelte bassengene ved å måle avstanden mellom toppen og bunnen av smelte. Etterpå plotte målt høyden på smelte bassenger som en funksjon av spesifikke energi-tetthet, som beregnes tilsvarende ligningen. Faktisk kan energi tetthet beregnes med følgende ligning:
    Equation 1
  6. Passe en 2nd orden polynom på eksperimentelle resultatene hente ligningen tilsvarer lagtykkelse som en funksjon av spesifikke energi-tetthet.
  7. Vurder en bestemt energi-tetthet, og beregne tykkelsen laget alt etter deres forhold, som ble observert i forrige trinn.
  8. Kontroller metoden, dikte en flerlags blokk ved å vurdere beregnet lagtykkelse og deretter karakterisere delen av blokker porøsitet og endelig høyde.
  9. Analysere mikrostruktur av fabrikkerte blokken når en polering trinn i samme fremgangsmåte som seksjon 3.3. Faktisk, etter siste polering, etse prøvene for 30 s med Krolls reagens, som inneholder 92 mL destillert vann, 6 mL salpetersyre og 2 mL flussyre.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

For de eksperimentelle studiene, var uregelmessig Ti-6Al-4V pulver med en gjennomsnittlig størrelse på 50-150 µm og tilsynelatende tetthet 1,85 g/cm3 ansatt som innskudds materiale (figur 1). Kjemisk analyse av pulver bekreftet at oksygen og nitrogen innholdet av pulver ikke endret før og etter deponering prosessen, mens i begge tilfeller oksygen innholdet var høyere enn standard oksygen innholdet i Ti-6Al-4V pulver for additive industrien (< 0,13%). Men oksygen og nitrogen innholdet i bulkkomponenter økt etter avsettelsen.

Figure 1
Figur 1: starter Ti-6Al-4V pulver brukes som innløser materiale. Dette er en uregelmessig pulver med en gjennomsnittlig størrelse på 100-150 µm og tilsynelatende tetthet 1,85 g/cm3.

C S Al Fe H N O V Ti
Frisk pulver 0.017 < 0,001 5.83 0,08 0.013 0.022 0,23 3.89 Motkonto.
Brukte pulver 0.016 < 0,001 5.86 0,08 0.012 0,02 0.22 3.87 Motkonto.
Bulk komponent 0.021 0,001 5,78 0,08 0.012 0.058 0.28 3.8 Motkonto.
Standard < 0,08 -- 5.5-6.5 < 0,25 < 0.012 < 0,05 < 0,13 3.5-4.5 Motkonto.

Tabell 1: den kjemiske sammensetningen av Ti-6Al-4V pulver før og etter avsetning (vekt prosent). Det viser at oksygen og nitrogen innholdet av pulver ikke endrer før og etter deponering prosessen, mens i begge tilfeller oksygen innholdet er høyere enn standard oksygen innholdet av Ti-6Al-4V pulver additiv produksjon.

Figur 2 viser enkelt spor av Ti-6Al-4V legering etter avsetning på ulike laser makt og laser skanning fart. Som kan sees av laser makt og redusere laser skannehastighet, størrelsen på enkelt spor økt.

Figure 2
Figur 2: enkelt spor av Ti-6Al-4V legeringen etter avsettelsen. Disse enkelt spor ble avsatt på ulike laser makt og laser skannehastighet og analysert fra toppen. Av laser makt og redusere laser skanning fart, størrelsene økt.

Figur 3 viser tverrsnitt av enkelt spor etter avsetning, og ved å øke laser makt, høyden på enkelt spor betraktelig. Videre reduserer laser skannehastighet på en konstant laser makt, høyden på deponering økt mens lav laser makt og svært høy laser skannehastighet, høyden program var ubetydelig. Høyden av smelte var porøsitet dannelsen inne smelte bassenget, spesielt nær grensesnittet av smelte basseng/fusion sonen området, en annen fenomen som ble avslørt etter at Cospatric.

Figure 3
Figur 3: tverrsnitt av enkelt spor etter avsettelsen. Laser makt og redusere skannehastighet laser, høyden av smelte ned. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Forholdet mellom enkelt spor høyde og annen prosessparameteren er vist i Figur 4. Høyden på enkelt spor på ulike laser søkehastighet økt med laser makt, noe som antyder at laser makt inntil et visst punkt har en positiv effekt på deponering høyden (figur 4a). Men etter det kritiske punktet påvirker laser makt negativt veksten av avsetning på grunn av levering av for mye energi i smelte bassenget. Videre ble det funnet at laseren skannehastighet økt, energi innspill i smeltende bassenget ble redusert og pulver leveransetakt indirekte ble redusert, og følgelig avsatt høyden redusert bemerkelsesverdig (figur 4b).

Figure 4
Figur 4: effekten av annen prosess parametere på enkelt spor dimensjon. Det er klart at som laser skannehastighet økt (b), energi innspill i smeltende bassenget reduseres den pulver levering rate (a) er indirekte redusert og følgelig avsatt høyden redusert bemerkelsesverdig. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Disse resultatene viser tydelig påvirkning av annen prosess parametere på geometrien av avsatt. Til tross gir verdifull innsikt i prosessen, er vurdering av avsatt høyden fortsatt utfordrende, på grunn av forskjellige parametere som var involvert. Derfor har noen innsats blitt gjennomført å utvikle en ny strategi for å evaluere effekten av kombinasjonen av prosess parametere på geometrien av avsatt.

Som ble vist, høyden på avsatt lag økt med laser makt, og det var forstått at dette ikke var parameterne påvirker høyden på smeltende bassenget. Faktisk, i løpet av tiden det tar å smelte et gitt volum av underlaget og sette en passende laget av smeltet materiale, bør en viss mengde energi og pulver gis til underlaget. Denne energien er ikke bare bestemt av laser makt og laser skannehastighet, men også laser størrelsen bør vurderes. For dette formålet, er spesifikke energi tetthet per enhetsstørrelsen (E) og pulver feed tetthet (F) beregnet for å evaluere effekten av kombinasjonen av parameterne.

E, som er den spesifikke energi-tettheten, viser energien som leveres i smelte bassenget av laser, og i prinsippet er ansvarlig for smelting substrat og pulver. Denne energi-tetthet uttrykkes som8

Equation 2(1)

Hvor E er spesifikke energi tetthet per enhetsstørrelsen, P er laser makt (W), v er skannehastighet laser (mm/s) og D er laser størrelsen (mm). For å få en passende deponering nivå for hvert metallisk materiale, det er en viss energi som ingen fusion obligasjoner kan oppnås, og utover det fortynning blir for stor. En annen faktor som viser effekten av kombinasjonen av parametere er pulver tetthet (F), som kan beregnes slik8

Equation 3(2)

Her F er pulveret feed tetthet, og G er pulveret fôring rate (g/s).

Figur 5 viser variasjonen av avsatt lag høyden som en funksjon av spesifikke energi-tetthet. Som kan sees, høyden på enkelt spor økt ved å øke den spesifikke energi tettheten, som kan være relatert til høyere varme innspill på høyere laser energi tetthet. Empirisk sammenhengen mellom energi-tetthet og høyden på deponering er som følger:

h = 14,99 E-17.85 (3)

Fra denne ligningen, kan høyden på avsatt spor estimeres gjennom beregningen av spesifikke energi tetthet og denne ligningen. Derimot, viste variasjonen av avsatt høyde som en funksjon av pulver, som vises i figur 6, at ved å øke pulver tetthet, høyden på avsatt spor økt, og empirisk forholdet mellom disse kan være uttrykt slik:

h = 38477 F-157.06 (4)

Dette viser at høyden på avsatt spor kan beregnes ved å beregne pulver tetthet og denne ligningen. EQ. 3 og Eq. 4 viser at ved hjelp av kombinasjonen av prosess parametere og beregne den spesifikke energi-tetthet og pulver tetthet, er det mulig å prognosen avsatt høyden, og dermed finne beste domenet å oppnå den beste kvaliteten for deponering.

Figure 5
Figur 5: enkelt spor høyden (h) mot spesifikke energi tetthet (E). Høyden på enkelt spor økt ved å øke den spesifikke energi tettheten, som kan være relatert til høyere varme innspill på høyere laser energi tetthet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 6
Figur 6: enkelt spor høyde (h) som en funksjon av pulver feed tetthet (F). Ved å øke pulveret feed tetthet, økt høyden på avsatt spor. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

I direkte energi deponering av metalliske materialer er h (lag høyde, eller ΔZ) en svært viktig faktor som påvirker kvaliteten på komponent etter at Cospatric. I konvensjonell direkte energi avsetning av metall, høyden på deponering laget er ansett som en konstant og, fra geometrien i komponent, dens materiale og prosess parametere slik laser makt og laser skannehastighet optimalisert for å dikte den siste komponenten. Faktisk samsvarer slicing lagene i en konstant tykkelse vanligvis ikke med parameterne prosessen. Derfor kan denne tykkelsen endres manuelt eller empirisk, som ofrer kvaliteten på komponenten og fabrikasjon hastigheten. Generelt, i konvensjonelle lag kutting, oppnådd over - eller under - deposition på grunn av omtrentlige i hensynet til lagtykkelse, som trenger ytterligere korreksjoner som etterfølgende deponering eller maskinering de ekstra lag (figur 7a ). Dermed i dette arbeidet har innsats foretatt å utvikle en ny strategi for å finne lag tykkelsen, i henhold til prosessen betingelsene som brukes i produksjon av komponenter.

Figure 7
Figur 7: kutting. (a) konvensjonelle kutting strategi, (b) nye kutting strategi i henhold til parameterne optimal prosessen; i konvensjonell lag kutting, kan over - eller under - deposition gjøres på grunn av omtrentlige i hensynet til lagtykkelse, som trenger ytterligere korreksjoner, som etterfølgende deponering eller maskinering de ekstra lag. Denne tilnærmingen bestemmes lagtykkelse for fabrikasjon av komponenten etter en ettlags høyde knyttet til spesifikke energi tettheten av to kombinerte parametere. E er spesifikke energi tetthet per enhetsstørrelsen, F er pulveret feed tetthet, tdep er ettlags tykkelsen og tlag er skive tykkelsen.

Faktisk, i denne bestemmes lagtykkelse for fabrikasjon av komponenten etter en ettlags høyde knyttet til spesifikke energi tettheten av to kombinerte parametere. Bevis denne metoden og se sammenhengen mellom kvaliteten på komponenten og annet lagtykkelse, noen enkle kuber ble bygget på ulike ΔZ og deretter deres tverrsnitt ble evaluert.

Figur 8a -b viser representant tverrsnitt av flerlags-blokker, som ble produsert i henhold til konvensjonelle metoden. Som kan sees i tabell 2, ifølge kutting strategien som vurderer 0.325 mm som lagtykkelse, bør ønsket høyde av blokken vises i figur 8a være ca 5,2 mm. Men i det tradisjonelle metoden, ble siste høyden 10.11 mm (over deponering) oppnådd, som er en konsekvens av vurderer en høy ΔZ (0,6 mm) under prosessen. Over deponering prosessen førte til mangel på fusjon mellom lagene og høy porøsitet inne prøven. På den annen side, figur 8b illustrerer at ved å vurdere en lav ΔZ, ønsket høyde kan ikke oppnås, og dette resulterer i en lang tid deponering prosessen og uønsket mikrostruktur. Disse avvikene innebærer at i konvensjonelle metoden slicing lagene i en fast tykkelse vanligvis samsvarer ikke med parameterne prosessen, og dermed ønsket lagtykkelse kan ikke oppnås. Et tverrsnitt av blokken, som ble produsert i henhold til kutting strategien, er vist i figur 9. Som kan sees gjennom vurderer en passende ΔZ, kan det være mulig å oppnå gode dimensjonal nøyaktighet. Dimensjonal nøyaktighet kan imidlertid reduseres på et høyt nivå av laser makt av høy inndata energi, som resulterer i smelting av underliggende lag. Tabell 2 viser at ved hjelp av metoden kutting, en mer stabil smelter pool posisjon kan oppnås, og følgelig at dimensjonale øker. Figur 9 viser en blokk som er produsert i henhold til kutting tilnærming, og som kan sees ved hjelp av en passende ΔZ (~ 0,5 mm) ønsket høyde program ble innhentet.

Figure 8
Figur 8: eksempler av produsert av det tradisjonelle metoden. Ifølge kutting strategien som vurderer 0.325 mm som lagtykkelse, skal ønsket høyde av blokken som vises i panelet en være ca 5,2 mm. Men i det tradisjonelle metoden, ble siste høyden 10.11 mm (over deponering) oppnådd, som er en konsekvens av vurderer en høy ΔZ (0,6 mm) under prosessen. På den annen side, illustrerer panelet b at av vurderer en lav ΔZ, ønsket høyde kan ikke oppnås, og resulterer i en lang tid deponering prosessen og uønsket mikrostruktur. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 9
Figur 9: eksempel på en prøve fabrikkert av kutting tilnærming. Det bekrefter at en skikkelig ΔZ vurdering gir en utmerket dimensjonal nøyaktighet.

Laser makt (W) Lagtykkelse (mm) Antall lag Ønsket høyde (mm) Avsatt høyde (mm)
Tradisjonell metoden 350 0.325 16 5.206 10.114
1500 0.758 8 6.07 3.425
Kutting metode 325 0.485 5 7.436 7.245

Tabell 2: sammenligning mellom avsatt høyde og ønsket høyde i konvensjonelle og slicing metoder. Det viser at ved hjelp av metoden kutting, en mer stabil smelter pool posisjon kan oppnås, og følgelig dimensjonale nøyaktigheten øker.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

I dette arbeidet var fokus på innstillingen for kutting tykkelse i DED prosessen med Ti-6Al-4V, ifølge geometrien av smelte bassenget egenskaper. For dette formålet, var en to-trinns protokoll definert og utnyttet. Den første delen av protokollen var en optimalisering av prosess parametere for enkel skanning avsettelse og under dette trinnet optimale parametere ble oppnådd og smelte bassenget geometrier ble målt. I den andre delen av protokollen, ble spesifikke energi tettheten av prøver på optimale parametere beregnet. I dette trinnet høyden på smelte bassenget var skal tegnes som en funksjon av energi, og i denne viktige skritt, lagtykkelse flerlags ham kan oppnås.

I DED resultere ulike prosess parametere endre tykkelsen på lag, avsetning av lag med en konstant lagtykkelse ikke i en presis geometri av komponenten. Det betyr at vurderer et bestemt lag tykkelse for deponering, uansett prosess parametere, fører til under - eller over - deposition som resulterer i geometriske feil og dermed lange produksjonsprosessen. Formålet med undersøkelsen var å utforske forholdet mellom kutting tykkelse innstillingen prosedyren, faktisk avsatt høyden og prosessen betingelsene. Det ble konkludert med at gjennom kombinasjonen av geometri smelte basseng og prosess parametere, ville det være mulig å fastslå den optimale lag tykkelsen forbundet med bestemt prosess parametere i en kortere periode med hensyn til den tradisjonelle metoder.

Kutting strategien bruker ligningene som får enkeltlags-høyden knyttet til den spesifikke energi-tettheten. Den siste komponenten er skiver ifølge ettlags høyden for en bestemt innskudds tilstand. For å verifisere den foreslåtte metoden, ble noen blokker produsert i henhold til kutting tilnærming. Resultatene av denne forskningen har vist at ved å bruke denne protokollen, ville det være mulig å fastslå lagtykkelse, som er en av de viktigste parametrene som bør vurderes riktig å bygge en komponent med nøyaktige dimensjoner. Den eneste begrensningen for denne protokollen som kan bli vurdert er avhengighet av resultatene av typen materiale, og dermed denne protokollen bør foretas for alle typer materiale. I tillegg vil øke nøyaktigheten av innstillingen lag tykkelse, kan bredden av smelte også bli vurdert i protokollen. Viktigste i protokollen er måling av smelte bassenget geometri så at noen feil, selv små feil, i dette trinnet kan medføre en betydelig feil i innstillingen lag tykkelse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

Forfatterne ønsker å erkjenne europeiske prosjektet tilhører Horizon 2020 forskning og innovasjon programmet Borealis - 3A energi klassen fleksibel maskin for nye additiv og subtraktiv produksjon på neste generasjon av komplekse 3D metalldeler

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