Produktion af enkelt spor af Ti-6Al-4V af rettet energi Deposition til at bestemme lagtykkelse for Multilayer Deposition

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 forskning, er en hurtig metode baseret på smelte pool karakterisering udviklet til at estimere lagtykkelse af Ti-6Al-4V komponenter fremstillet af rettet energi deposition.

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 Deposition (DED), som er et tilsætningsstof fremstillingsindustrien teknik, indebærer oprettelse af en smeltet pool med en laserstråle hvor metalpulver sprøjtes som partikler. I almindelighed, er denne teknik ansat til at fabrikere eller reparere forskellige komponenter. I denne teknik påvirkes de endelige egenskaber af mange faktorer. Faktisk, en af de vigtigste opgaver i byggekomponenter af DED er optimering af procesparametre (såsom laser power, laser hastighed, fokus, etc.), som er normalt udføres gennem en omfattende eksperimentel undersøgelse. Denne form for eksperiment er imidlertid meget langvarige og kostbare. Således, for at fremskynde optimeringsprocessen, en undersøgelse blev udført for at udvikle en metode baseret på smelte pool beskrivelser. I virkeligheden, i disse eksperimenter, blev enkelt spor af Ti-6Al-4V deponeret af en DED proces med flere kombinationer af laser power og laser hastighed. Overflade morfologi og dimensioner af enkelt spor blev analyseret, og geometriske specifikationer af smelte pools blev evalueret efter polering og ætsning af tværsnit. Nyttige oplysninger om udvælgelse af optimale procesparametre kan opnås ved at undersøge funktionerne smelte til pool. Disse eksperimenter er at blive udvidet til at karakterisere de større blokke med flere lag. Ja, dette manuskript beskriver hvordan det ville være muligt for hurtigt at afgøre lagtykkelse for den massive deposition og undgå eller under deposition ifølge den beregnede energitæthed af de optimale parametre. Bortset fra over eller under deposition er tid og materialer besparelse de andre store fordele ved denne tilgang, hvor aflejring af flerlaget komponenter kan startes uden nogen parameter optimering med hensyn til lagtykkelse.

Introduction

Ti-6Al-4V er mest almindeligt anvendte Ti legering i aerospace, flyet, automotive, og biomedicinske industrier på grund af sin høje styrke / vægt-forhold, fremragende brudsejhed, lav vægtfylde, fremragende korrosionsbestandighed og varme treatability. Men dens videre udvikling i andre programmer er udfordrende, på grund af sin lave varmeledningsevne og høj reaktivitet funktioner, som føre sin fattige bearbejdelighed. Desuden, på grund af varmen hærdning fænomener under opskæring, en specifik varmebehandling skal gennemføres1,2,3,4.

Ikke desto mindre tilsætningsstof fremstillingsindustrien (AM) teknologier viste stort potentiale til at blive brugt som ny fremstillingsteknikker, der kan reducere pris og energiforbruget, og tage fat på nogle af de aktuelle udfordringer i fabrikation af legering, Ti-6Al-4V.

Additive manufacturing teknikker er kendt som innovative og kan fabrikere en i nærheden af netto figur komponent i et lag-by-lag-mode. Et lag på lag additive manufacturing tilgang, som skiver en Computer Aided Design (CAD) model i tynde lag og derefter bygger den komponent lag på lag, er grundlæggende for alle AM metoder. Generelt er additiv fremstilling af metalliske materialer kan opdeles i fire forskellige processer: pulver seng, pulver foder (blæst pulver), wire feed og andre ruter3,5,6.

Rettet energi Deposition (DED) er en klasse af tilsætningsstof fremstillingsindustrien og er en blæst pulver proces, der fabrikerer tredimensionale (3D) nær netto figur faste dele fra en CAD-fil svarende til andre AM metoder. I modsætning til andre teknikker, DED kan ikke kun bruges som en fremstillingsmetoden, men også kan være ansat som en reparation teknik for høj værdi dele. I forbindelse med DED, metallisk pulver eller wire materiale er fodret af en bæregas eller motorer i pool, Smelt, som genereres af laseren stråle på enten underlaget eller tidligere indbetalt lag. DED er en lovende avancerede produktionsproces, der er i stand til at faldende buy-til-fly-forholdet, og også er i stand til at reparere høj værdi dele, der tidligere var uoverkommeligt dyre at erstatte eller uoprettelig7.

For at opnå det ønskede geometriske dimensioner og materialeegenskaber, er det afgørende at etablere passende parametre8. Flere undersøgelser har været forpligtet sig til at belyse forholdet mellem procesparametre og de endelige egenskaber af den deponerede prøve. Peyre et al. 9 bygget nogle tynde vægge med forskellige parametre, og derefter karakteriseret dem ved hjælp af 2D og 3D profilometry. De viste, at lagtykkelse og smelte pool volumen påvirker ruhed parametre mærkbart. Vim mfl. 10 foreslået en model for at analysere forholdet mellem procesparametre og geometriske egenskaber af en enkelt beklædning lag (beklædt højde, klædt bredde og dybde af penetration).

Til dato, flere undersøgelser på DED af Ti er legeringer blevet rapporteret, mest som fokuseret på en kombination af parametre indflydelse på egenskaber af massive prøver11,12,4. Rasheedat mfl. undersøgte effekten af scanning hastighed og pulver strømningshastighed på de deraf følgende egenskaber af laser metal deponerede Ti-6Al-4V legering. De fandt, at ved at øge scanning hastighed og pulver strømningshastighed mikrostrukturen ændret fra Widmanstätten til en martensitic mikrostruktur, hvilket resulterer i en forøgelse af overfladeruhed og microhardness af deponerede prøver7. Dog har mindre opmærksomhed betalt til at designe indstillingen lag tykkelse. Choi mfl. har undersøgt sammenhængen mellem lagtykkelse og procesparametre. De har konstateret, at de vigtigste kilder til fejl mellem den nuværende højde og den faktiske højde er pulver massestrøm sats og lag tykkelse indstilling13. Deres undersøgelser ikke korrekt implementerer lag tykkelse indstilling, fordi de involverede langvarige og unøjagtige processer i indstillingen lag tykkelse. Ruan mfl. har undersøgt effekten af laser scanning hastighed på deponerede lag højden på en konstant laser power og pulver fodring sats14. De har foreslået nogle empiriske modeller for lag tykkelse indstilling, som blev opnået under bestemte forarbejdningsbetingelser, og dermed lag tykkelse indstilling muligvis ikke præcis på grund af udnyttelsen af specifik proces parametre15. I modsætning til tidligere værker er lagtykkelse proces, der foreslås i dette håndskrift en hurtig metode, der kan udføres uden at spilde tid og materialer.

Hovedvægten i dette arbejde er at udvikle en hurtig metode til bestemmelse af lagtykkelse baseret på de særlige kendetegn ved de enkelte spor af legeringens Ti-6Al-4V på optimal DED procesparametre. Derefter, er de optimale procesparametre ansat til at bestemme en lagtykkelse og fabrikere high-density Ti-6Al-4V blokke uden at spilde tid og materialer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. pulver karakterisering

  1. Sætte 3 g for at starte Ti-6Al-4V pulvere på et dobbelt-sidet sticky carbon bånd, som er beliggende på en aluminium pin stub, og Indsæt inde i modellen kammer af felt-Emission Scanning elektronmikroskop (FESEM) at analysere morfologi af pulver16.
  2. Måle den tilsyneladende massefylde af pulveret ved at udfylde en 30 cm3 container, og måle vægten af pulver efter ASTM-B212 standard.
  3. Udføre kemiske analyser for at starte pulver (5-10 g), bruges pulver (5-10 g) og deponerede blok (20 g) ved hjælp af elemental (fxLeco) og Induktivt koblet plasma (ICP) analyzer17.

2. rettet energi aflejring af enkelt spor

  1. Pulver lastning
    1. Bære personlige værnemidler, herunder en FFP3 respiratoriske maske kompatibel krav i EN 149, pudderfrie engangs nitrilhandsker og beskyttende plastik briller.
    2. Åbn hopper af pulveret fodring system og bruge en emhætte (fxATEX) for at fjerne de resterende pulvere.
    3. Fjern opsamlingsbeholderen ved at følge konstruktøren passende anvisninger og rengøre hver komponent ved hjælp af ethanol-gennemblødt papirhåndklæder.
      Bemærk: Dette trin er grundlæggende at undgå forurening af forskellige former for metal pulvere.
    4. Saml pulveret fodring hopper ved at følge vejledningen af konstruktøren. Bort kun den øverste fælles landbrugspolitik af hopper for at udføre lastning af pulveret.
    5. Indlæse hopper med Ti-6Al-4V pulvere med kornstørrelse i intervallet 50-150 µm. afhængigt af størrelsen af den tilgængelige hopper, fylde det helt.
    6. Luk den top cap af tragten meget stramt for at undgå eventuelle gasudslip.
  2. Forberedelse af prøven
    1. Vælge en Ti-6Al-4V ark med 50 mm x 50 mm dimensioner og 4 mm tykkelse.
    2. Ren overfladen af arket titanium med ethanol-gennemblødt papirhåndklæder. Måle vægten af arket med en centesimal balance.
    3. Læg arket på arbejdsområde efter placeringen af markøren. Arbejdsområdet er hvor aflejring vil finde sted, så det er bestemt efter den programmerede bane i robotten.
  3. Forberedelse af Robot og forberedelse af Deposition udstyr
    1. Montere dysen på laser hovedet, således at vinklen mellem den dyse akse og laser akse er 35°.
    2. Bevæg robotten til udgangspunktet for arbejde at udføre kalibreringen.
    3. Kontrollere afstanden mellem dysens og arbejde-fly, og om nødvendigt manuelt at korrigere den dyse holdning indtil den målte afstand er 5 mm.
      Bemærk: Da arbejdsområdet lægger på en vandret flade, denne afstand er den lodrette afstand mellem metal plader og spidsen af dysen.
    4. Kontrollere centrering af dyse outlet med laser: først, skifte på laser guide ved at klikke på kommandoen "Laser Guide ON" på software til kontrol af laser. Derefter sætte en tynd stang, måling 0,8 mm i diameter og 200 mm i længden, inde i dysen. Kontroller, at spidsen af stangen og plet af laser vejledning er sammenfaldende. Hvis ikke, manuelt justere placeringen af dysen, overholdelse af afstande og vinkler tidligere indikeret.
      Bemærk: I dette tilfælde skal den ydre diameter af dysen er 1 mm; Hvis en dyse med en mindre diameter er ansat, skal du bruge en stang, hvis diameter er mindre end i dysen.
    5. Kontrollere kalibreringsdata skrevet ind i robot kontrol software: Klik på knappen "Anvend" på software, og vente til udarbejdelse af koden.
      Bemærk: Softwaren vil tjekke for fejl i koden; Hvis der ingen fejl er gemt koden på robotten controller. Hvis der er fejl, koden vil ikke blive udarbejdet, og yderligere revision vil være nødvendig.
    6. Aktiver modulet laser kilde ved at klikke på kommandoen "Laser aktiverer" på laser kontrol software.
      Bemærk: Den erhvervsdrivende Laserkilde er en kontinuerlig fiber laser udsender i det infrarøde område (1064 nm) med 5 kW maksimal effekt.
    7. Aktiverer robottens motorer ved manuelt at trykke på knappen "Robot motorer på" på styreskabet af robotten, og kontrollere, at de relaterede sikkerhed LED lyser: Hvis så, det betyder, at motorerne er aktiveret.
  4. Startprocessen Deposition
    1. Vælg den rigtige fil på programlisten over eksisterende og indlæse arbejder sti i den vigtigste robot rutine.
    2. Tjek parametrene laser og robot: Indstil laser power til specifikke laser power (325, 650, 980, 1500 W) og robot hastighed til en given hastighed (30, 40, 50, 60 mm/s).
      Bemærk: Disse parametre er skrevet ind i kontrol software af robotten, den specifikke sprog af maskinen.
    3. Bekræft de nye parametre ved at trykke på knappen "Anvend" på software, og vente til udarbejdelse af koden. Programmet vil indskrive nemlig fejl i koden; Hvis der ingen fejl er koden er gemt på robot controller og det er klar til at blive lanceret. Starte rutinen robot ved at skubbe knappen "START" på robot kontrol software.
  5. Afhente prøven ved hjælp af den særlige nipper, og rengør prøveoverfladen med en ethanol-gennemblødt køkkenrulle til at fjerne enhver resterende pulver.

3. analysere de enkelte spor

  1. Analysere de enkelt spor fra toppen af et stereo mikroskop på 5 X forstørrelse.
    Bemærk: I denne fase, nogle billeder er taget med et stereo mikroskop og analyseret visuelt.
  2. Skære de enkelt spor fra midten af de deponerede spor vinkelret aflejring ved hjælp af en præcis skærende værktøj.
  3. Montere et tværsnit af enkelt spor i epoxyharpiks. Vælg en indstøbningsform og placere det rene og tørre modellen i det. Måle de korrekte mængder af harpiks omhyggeligt efter vægt (10 g/prøve) og derefter blandes med en flydende hærder (6 g/prøve). Hæld harpiks-blandingen over modellen og overlade de fyldte indstøbningsforme hærde i 30 min. ved stuetemperatur. Derefter male de monterede enheder med 500, 800 og 1.200 grus størrelse SiC papir, og så polere ved hjælp af diamant pasta ned til de finere størrelser af diamant partikler (1 µm).
  4. Analysere de polerede overflader med hensyn til form og porøsitet ved hjælp af et optisk mikroskop. Erhverve billeder af smelte pools med optisk mikroskop ved 10 X forstørrelse, og derefter analysere dem ved hjælp af billede-J software.
  5. Måle højden af smelte pools ved at måle afstanden mellem toppen og bunden af smelte pool. Bagefter, plot målte højden af smelte pools som en funktion af specifikke energitæthed, der beregnes efter den tilsvarende ligning. Faktisk kan energitæthed beregnes ved følgende ligning:
    Equation 1
  6. Passe en 2nd orden polynomiel på de eksperimentelle resultater at få ligningen svarende til lagtykkelse som en funktion af specifikke energitæthed.
  7. Overveje en specifik energitæthed, og beregne lagtykkelse ifølge deres forhold, som blev observeret i det forrige trin.
  8. For at verificere metoden fabrikere en multilayer blok ved at betragte den beregnede lagtykkelse og derefter karakterisere del af blokke porøsitet og endelige højde.
  9. Analysere mikrostruktur af opdigtede blok efter en polering trin i samme procedure som afsnit 3.3. Faktisk, efter slutpoleringen, etch prøver til 30 s med Krolls reagens, som indeholder 92 mL destilleret vand, 6 mL salpetersyre og 2 mL flussyre.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

I de eksperimentelle undersøgelser, var uregelmæssigt Ti-6Al-4V pulver med en gennemsnitsstørrelse på 50-150 µm og tilsyneladende massefylde af 1.85 g/cm3 ansat som deponering materiale (figur 1). Den kemiske analyse af pulveret bekræftet, at indholdet af ilt og kvælstof af pulveret ikke ændrede før og efter deposition proces, mens i begge tilfælde iltindholdet var højere end standard iltindholdet i Ti-6Al-4V pulver til additive manufacturing (< 0,13%). Men, ilt og kvælstof indholdet af bulk komponenter øget efter deposition.

Figure 1
Figur 1: starter Ti-6Al-4V pulver bruges som deponering materiale. Dette er en uregelmæssig pulver med en gennemsnitlig størrelse på 100-150 µm og tilsyneladende massefylde af 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 Bal.
Brugte pulver 0.016 < 0,001 5,86 0,08 0,012 0.02 0,22 3,87 Bal.
Bulk komponent 0.021 0,001 5,78 0,08 0,012 0.058 0,28 3.8 Bal.
Standard < 0,08 -- 5,5-6,5 < 0,25 < 0,012 < 0,05 < 0,13 3,5-4,5 Bal.

Tabel 1: den kemiske sammensætning af Ti-6Al-4V pulver før og efter deposition (vægt procent). Det viser, at indholdet af ilt og kvælstof af pulveret ikke ændrer før og efter deposition proces, mens i begge tilfælde iltindholdet er højere end standard iltindholdet i Ti-6Al-4V pulver for tilsætningsstof fremstillingsindustrien.

Figur 2 viser de enkelte spor af Ti-6Al-4V legeret efter deposition på forskellige laser power og laser scanne hastighed. Som det kan ses ved at øge laser power og faldende laser scanning hastighed, størrelsen af enkelt spor steg.

Figure 2
Figur 2: enkelt spor af legeringen, Ti-6Al-4V efter deposition. Disse enkelt spor blev deponeret på forskellige laser power og laser scanning hastighed og analyseret fra toppen. Scan hastighed, deres størrelser øges ved at øge laser power og faldende laser.

Figur 3 viser et tværsnit af enkelt spor efter deposition, og ved at øge laser power, højden af enkelt spor steget betydeligt. Derudover ved at mindske laser scanning hastigheden på en konstant laser power, højden af deposition steg mens på lavt laser power og meget høje laser scanning hastighed, højden af deposition var ubetydelig. Trods højden af smelte pool var porøsitet dannelsen inde smelte pool, især nær grænsefladen i området smelte pool/fusion zone et andet fænomen, der blev afsløret efter deposition.

Figure 3
Figur 3: tværsnit af enkelt spor efter deposition. Ved at øge laser power og faldende laser scanning hastighed, højden af smelte pool faldt. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Forholdet mellem den ensporede højde og forskellige processen parameter er vist i figur 4. Højden af enkelt spor på forskellige laser scanning hastigheder øges ved at øge laser power, som antyder, at laser power til en vis grad har en positiv effekt på deposition højde (figur 4a). Men efter det kritiske punkt, laser power negativt påvirker væksten af depositionen som følge af levering af for meget energi i pool, smelte. Det blev desuden konstateret, at laser scanning hastighed steget, energitilførsel i den smeltende pool blev reduceret og pulver levering sats var indirekte faldt, og derfor den deponerede højden faldet bemærkelsesværdigt (figur 4b).

Figure 4
Figur 4: effekten af forskellige procesparametre ensporet dimension. Det er klart, at som laser scanning hastighed øget (b), energitilførsel i den smeltende pool er reduceret og den pulver levering sats (a) er indirekte faldt og derfor deponerede højden faldet bemærkelsesværdigt. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Disse resultater viser tydeligt forskellige procesparametre indflydelse på geometrien af deponerede spor. På trods af at give værdifuld indsigt i processen, vurdering af de deponerede højde stadig er udfordrende, på grund af forskellige parametre, som var involveret. Således, nogle har været indsats for at udvikle en ny strategi for at evaluere effekten af kombination af procesparametre på geometrien af deponerede spor.

Som blev vist, højden af deponerede lag øges ved at øge laser power, og det blev forstået, at dette ikke var den eneste parameter, der påvirker højden af den smeltende pool. I virkeligheden, i perioden af tid til at smelte en bestemt mængde af substratet og deponere et passende lag af smeltet materiale, bør en vis mængde energi og pulver gives til underlaget. Denne energi er ikke kun bestemmes af laser power og laser scanning hastighed, men også laser spot størrelse bør overvejes. Til dette formål beregnes de specifikke energitæthed pr enhed spot størrelse (E) og pulver foder tæthed (F) for at evaluere effekten af en kombination af disse parametre.

E, som er den specifikke energitæthed, viser den energi, der er leveret i pool, smelte af laser, og i princippet er ansvarlige for smeltende substrat og pulver. Denne energitæthed udtrykkes som8

Equation 2(1)

Hvor E er den specifikke energitæthed pr enhed spot størrelse, P er laser effekt (W), v er laser scanning hastighed (mm/s), og D er laser spot størrelse (mm). For at opnå en passende deposition niveau for hver metallisk materiale, der er en vis grad af energi under hvilken ingen fusion obligationer kan opnås, og ud over at fortyndingen bliver for stor. En anden faktor, der viser effekten af en kombination af parametre er pulver tæthed (F), som kan være beregnet som følger8

Equation 3(2)

Her, F er pulveret feed tæthed, og G er pulveret fodring sats (g/s).

Figur 5 viser variationen af deponerede lag højde som funktion af specifikke energitæthed. Som det kan ses, højden af enkelt spor øges ved at øge den specifikke energitæthed, der kan relateres til den højere varmetilførsel på højere laser energi tæthed. Den empiriske korrelation mellem energitæthed og højden af deposition er som følger:

h = 14,99 E-17.85 (3)

Fra denne ligning, kan højden af deponerede spor estimeres ved beregningen af den specifikke energitæthed og denne ligning. På den anden side viste variation af deponerede højde som funktion af pulver tæthed, der er vist i figur 6, at ved at øge pulver tæthed, højden af deponerede spor steg, og den empiriske relationer mellem disse kan være udtrykt som følger:

h = 38477 F-157.06 (4)

Denne ligning viser, at højden af deponerede spor kan beregnes ved at beregne pulver tæthed og denne ligning. EQ. 3 og Eq. 4 viser, at ved hjælp af en kombination af procesparametre og beregning af den specifikke energi og pulver massefylde, det er muligt at forudsige de deponerede højde, og derfor finde de bedste domæne til at opnå den bedste deposition kvalitet.

Figure 5
Figur 5: enkelt spor højde (h) versus specifikke energitæthed (E). Højden af enkelt spor øges ved at øge den specifikke energitæthed, der kan relateres til den højere varmetilførsel på højere laser energi tæthed. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 6
Figur 6: enkelt spor højde (h) som en funktion af pulver foder tæthed (F). Ved at øge pulver foder tæthed, øget højden af deponerede spor. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

I direkte energi aflejring af metalliske materialer er h (lag højde eller ΔZ) en meget vigtig faktor, der påvirker kvaliteten af komponent efter deposition. I konventionelle direkte energi aflejring af metalliske komponenter, højden af laget deposition betragtes som en konstant, og bortset fra geometrien af komponent og dens materiale, procesparametre sådan laser power og laser scanning hastighed var optimeret til at fremstille den endelige komponent. Faktisk, udskæring lagene i en konstant tykkelse normalt overholder ikke procesparametre. Derfor, denne tykkelse kan ændres manuelt eller empirisk, som ofrer kvaliteten af komponent og fabrikation sats. Generelt i konventionelle lag udskæring, kan over eller under deposition opnås på grund af tilnærmelser i behandlingen af lagtykkelse, som har bør for yderligere korrektioner som efterfølgende deposition eller bearbejdning af ekstra lag (figur 7a ). Således i dette arbejde, blevet indsats påtaget sig at udvikle en ny strategi for at bestemme lagtykkelse, proces betingelser, der anvendes i produktionen af komponenter.

Figure 7
Figur 7: udskæring. (a) konventionelle udskæring strategi, (b) nye udskæring strategi efter de optimale procesparametre; i konventionelle lag udskæring, kan over eller under deposition opnås på grund af tilnærmelser i behandlingen af lagtykkelse, som har bør for yderligere rettelser, som efterfølgende deposition eller bearbejdning af ekstra lag. I denne tilgang bestemmes lagtykkelse for fabrikation af komponent efter en enkelt lag højde relateret til den specifikke energitæthed af to kombinerede parametre. E er den specifikke energitæthed pr enhed spot størrelse, F er pulveret feed tæthed, tdep er enkelt lagtykkelse og tlag er Skive tykkelse.

Faktisk i denne tilgang, er lagtykkelse for fabrikation af komponent bestemt efter en enkelt lag højde relateret til den specifikke energitæthed af to kombinerede parametre. For at bevise denne metode og kontrollere sammenhængen mellem kvaliteten af komponenten og forskellige lagtykkelse, nogle enkle kuber blev bygget på forskellige ΔZ og derefter deres tværsnit blev evalueret.

Figur 8a -b viser de repræsentative tværsnit af flerlags-blokke, som blev produceret efter den konventionelle metode. Som det ses i tabel 2, efter den udskæring strategi, som anser 0,325 mm som lagtykkelse, bør den ønskede højden af den blok, vist i figur 8a ca. 5,2 mm. Men i den konventionelle metode, den endelige højde af 10.11 mm (overdreven aflejring) blev opnået, som er en konsekvens af overvejer en høj ΔZ (0,6 mm) i løbet af processen. Denne overdrevne deposition proces resulterede i manglen fusion mellem lagene, og en høj grad af porøsitet inde i modellen. På den anden side, figur 8b illustrerer, ved at overveje en lav ΔZ, den ønskede højde opnås ikke, og dette resulterer i en lang deposition proces og uønskede mikrostruktur. Disse uoverensstemmelser indebære, at i den konventionelle metode, udskæring lagene i en fast tykkelse normalt overholder ikke procesparametre, og dermed den ønskede lagtykkelse opnås. Et tværsnit af blok, som blev produceret efter udskæring-strategi, er vist i figur 9. Som kan ses gennem overvejer en passende ΔZ, kunne det være muligt at opnå fremragende dimensionel nøjagtighed. Dog kan den dimensionale nøjagtighed være faldet på et højt niveau af laser power som følge af høje input energi, hvilket resulterer i smeltning af underliggende lag. Tabel 2 viser, at ved hjælp af metoden udskæring, en mere stabil smeltende pool position kan opnås, og derfor den dimensionale nøjagtighed øges. Figur 9 viser en blok, der er fremstillet i overensstemmelse med den udskæring tilgang, og som kan ses ved hjælp af en passende ΔZ (~ 0,5 mm) deposition ønskede højde er opnået.

Figure 8
Figur 8: eksempler på prøver fremstillet ved den konventionelle metode. Ifølge den udskæring strategi, som anser 0,325 mm som lagtykkelse, bør den ønskede højden af den blok, som er vist i panelet en ca. 5,2 mm. Men i den konventionelle metode, den endelige højde af 10.11 mm (overdreven aflejring) blev opnået, som er en konsekvens af overvejer en høj ΔZ (0,6 mm) i løbet af processen. På den anden side, illustrerer bedømmelseskomite b , ved at overveje en lav ΔZ, den ønskede højde ikke opnås, og resulterer i en lang deposition proces og uønskede mikrostruktur. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 9
Figur 9: eksempel på en prøve, der er fremstillet af den udskæring tilgang. Det bekræfter, at en ordentlig ΔZ overvejelse resulterer i en fremragende dimensionel nøjagtighed.

Laser power (W) Lagtykkelse (mm) Antallet af lag Ønskede højde (mm) Deponerede højde (mm)
Konventionelle metode 350 0.325 16 5.206 10.114
1500 0.758 8 6,07 3.425
Udskæring metode 12W 0,485 5 7.436 7.245

Tabel 2: sammenligning mellem de deponerede højde og ønskede højde i konventionelle og udskæring metoder. Det viser, at ved hjælp af metoden udskæring, en mere stabil smeltende pool position kan opnås og, derfor, den dimensionale nøjagtighed øges.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

I dette arbejde var fokus på den udskæring snittykkelse i DED processen med Ti-6Al-4V, geometri af smelte pool egenskaber. Til dette formål, var en to-trins protokol defineret og udnyttet. Den første del af protokollen var en optimering af procesparametre for enkelt scanning deposition og under dette trin, de optimale parametre blev opnået og smelte pool geometrier blev målt. I den anden del af protokollen beregnedes den specifikke energitæthed af prøver på de optimale parametre. I dette trin, højden af smelte pool var afbildet som en funktion af energitæthed, og i dette kritiske trin, lagtykkelse for multilayer deposition kan opnås.

I DED, da forskellige parametre ændre tykkelsen af lag, kan ikke aflejring af lag med en konstant lagtykkelse resultere i en præcis geometri af komponenten. Det betyder, at i betragtning af et fast lag tykkelse for deposition, uanset procesparametre, fører til under - eller slut - deposition der resulterer i geometriske fejl og følgelig en lang proces. Formålet med denne undersøgelse var at undersøge forholdet mellem den udskæring tykkelse indstilling procedure, den faktiske deponerede højde og proces betingelser. Det blev konkluderet, at det ville være muligt at bestemme den optimale lagtykkelse forbundet med specifikke procesparametre i en kortere periode med hensyn til gennem kombinationen af geometrien af parametrene smelte pool og proces, den traditionelle metoder.

Den udskæring strategi anvender de ligninger, som få enkeltlags højden relateret til den specifikke energitæthed. Den sidste komponent er skåret efter enkelt lag højden for en bestemt deponering tilstand. For at verificere den foreslåede metode, blev nogle blokke fremstillet efter metoden med udskæring. Resultaterne af denne forskning har vist, at ved at ansætte denne protokol, ville det være muligt at bestemme lagtykkelse, som er en af de vigtigste parametre, som skal behandles korrekt at bygge en komponent med nøjagtige dimensioner. Den eneste begrænsning af denne protokol, der kan betragtes som er afhængighed af resultaterne på typen materiale, og dermed denne protokol bør gennemføres for hver type af materiale. Derudover for at øge nøjagtigheden af indstillingen lag tykkelse, kan bredden af den smelte swimmingpool også betragtes i protokollen. Det vigtigste skridt i protokollen er måling af smelte pool geometri så at enhver fejl, selv små fejl, i dette trin kan resultere i en betydelig fejl i indstillingen lag tykkelse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Acknowledgments

Forfatterne vil gerne anerkende den europæiske forskningsprojekt tilhører Horisont 2020 forskning og innovation programmet Borealis - 3A energiklasse fleksible maskine til det nye tilsætningsstof og subtraktive fremstilling på næste generation af komplekse 3D metaldele

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