Produktion von Singletrails von Ti-6Al-4V durch gerichtete Energie Ablagerung zur Ermittlung der Schichtdicke für mehrschichtige Deposition

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Summary

In dieser Forschung ist eine schnelle Methode basiert auf Schmelze Pool Charakterisierung entwickelt, um die Schichtdicke der Ti-6Al-4V Komponenten hergestellt durch gerichtete Energie Ablagerung zu schätzen.

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Saboori, A., Tusacciu, S., Busatto, M., Lai, M., Biamino, S., Fino, P., Lombardi, M. Production of Single Tracks of Ti-6Al-4V by Directed Energy Deposition to Determine the Layer Thickness for Multilayer Deposition. J. Vis. Exp. (133), e56966, doi:10.3791/56966 (2018).

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Abstract

Directed Energy Deposition (DED), die eine additive Fertigungstechnik ist, die Schaffung ein Schmelzbad mit einem Laserstrahl macht wo Metallpulver als Partikel injiziert wird. Im Allgemeinen wird diese Technik eingesetzt, um entweder fabrizieren oder andere Komponenten zu reparieren. Bei dieser Technik werden die endgültigen Eigenschaften von vielen Faktoren beeinflusst. In der Tat ist eine der Hauptaufgaben im Bauteile von DED die Optimierung der Prozessparameter (z. B. Laserleistung, Laser-Geschwindigkeit, Konzentration, etc.), die in der Regel durch umfangreiche experimentelle Untersuchungen durchgeführt wird. Allerdings ist diese Art von Experiment extrem langwierig und kostspielig. So, um den Optimierungsprozess zu beschleunigen, wurde eine Untersuchung durchgeführt, um eine Methode basiert auf der Schmelze Pool Charakterisierungen zu entwickeln. In der Tat in diesen Experimenten wurden Singletrails von Ti-6Al-4V abgelagert durch einen DED-Prozess mit mehreren Kombinationen der Laserleistung und Laser-Geschwindigkeit. Oberflächenmorphologie und Abmessungen der einzelnen Tracks wurden analysiert und geometrische Eigenschaften der Schmelze Pools wurden ausgewertet nach Polieren und Ätzen der Querschnitte. Hilfreiche Informationen zur Auswahl der optimalen Prozessparameter kann durch die Untersuchung der Schmelze Pool Funktionen erreicht werden. Diese Experimente werden ausgebaut, um größere Blöcke mit mehreren Ebenen zu charakterisieren. Tatsächlich beschreibt diese Handschrift, wie es wäre möglich, die Schichtdicke für die massive Ablagerung schnell zu ermitteln, und vermeiden Sie über oder unter Abscheidung entsprechend der berechneten Energiedichte der optimalen Parameter. Abgesehen von den über oder unter Abscheidung sind Zeit- und Materialaufwand sparen die anderen großen Vorteile dieses Ansatzes, in dem die Ablagerung von mehrschichtigen Bauteilen ohne irgendwelche Parameteroptimierung in Bezug auf die Schichtdicke gestartet werden kann.

Introduction

TI-6Al-4V ist die am häufigsten verwendeten Ti-Legierung in der Luft-und Raumfahrt, Flugzeuge, Automobile, und biomedizinischen Industrie wegen seiner hohen Stärke-zugewicht Verhältnis, ausgezeichnete Bruchzähigkeit, geringes spezifisches Gewicht, ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und Wärme Behandelbarkeit. Seine Weiterentwicklungen in anderen Anwendungen sind herausfordernd, führen jedoch aufgrund seiner geringen Wärmeleitfähigkeit und hohe Reaktivität Funktionen, die seine schlechte Zerspanbarkeit. Darüber hinaus muss wegen der Hitze aushärten Phänomene beim Schneiden, eine spezifische Wärmebehandlung durchgeführt1,2,3,4sein.

Dennoch zeigten Additive manufacturing (AM) Technologien großes Potential als neue Fertigungstechniken verwendet werden, die den Preis und Energieverbrauch reduzieren und einige der aktuellen Herausforderungen in der Herstellung der Legierung Ti-6Al-4V ansprechen können.

Additive Fertigungsverfahren sind bekannt als innovativ und ein in der Nähe von net Shape fabrizieren können Komponenten in einer Schicht für Schicht-Mode. Eine Schicht für Schicht additive Fertigung, die Scheiben ein Computer Aided Design (CAD) Modell in dünnen Schichten und baut dann das Bauteil Schicht für Schicht, ist das Fundament für alle AM Verfahren. Im Allgemeinen kann additiver Fertigung metallischer Werkstoffe in vier verschiedene Prozesse unterteilt werden: Pulver, Bett, Pulverförderung (geblasene Pulver), Drahtvorschub und andere Routen3,5,6.

Energy Deposition (DED) ist eine Klasse der additiven Fertigung und ist ein geblasen Pulver-Prozess, der dreidimensionale (3D) fertigt in der Nähe von Netto Form festen Teile aus einer CAD-Datei ähnlich wie bei anderen Methoden AM gerichtet. Im Gegensatz zu anderen Techniken DED kann nicht nur als ein Herstellungsverfahren verwendet werden, aber auch als eine Reparatur Technik für hochwertige Bauteile eingesetzt werden. Dabei DED metallische Pulver oder Draht Material wird durch eines Trägergases zugeführt oder Motoren in den Pool der Schmelze, die durch den Laser erzeugt wird Strahlen entweder auf das Substrat oder zuvor Schicht abgelagert. Der DED-Prozess ist eine vielversprechende fortschrittliche Herstellungsverfahren, die ist in der Lage das Buy-to-Fly-Verhältnis abnimmt, und ist auch in der Lage, hochwertige Teile, die bisher zu teuer, zu ersetzen oder irreparable7zu reparieren.

Um die gewünschten geometrischen Abmessungen und Materialeigenschaften zu erreichen, ist es wichtig, die entsprechenden Parameter8zu etablieren. Verschiedene Studien wurden durchgeführt, um die Beziehung zwischen der Prozessparameter und die Endeigenschaften des hinterlegten Beispiels erläutern. Peyre Et al. 9 einige dünne Wände mit unterschiedlichen Prozessparametern gebaut, und sie dann mithilfe von 2D und 3D Profilometry gekennzeichnet. Sie zeigten, dass die Schichtdicke und Schmelze Pool Volumen der Rauheitsparameter merklich beeinflussen. Vim Et Al. 10 schlug ein Modell um das Verhältnis zwischen der Prozessparameter und geometrischen Eigenschaften eines einzigen Verkleidung Layers (bekleideten Höhe, bekleideten Breite und Tiefe des Durchgriffes) zu analysieren.

Bis heute wurden mehrere Studien zu DED Ti wurden Legierungen gemeldet, die meisten davon auf den Einfluss der Kombination von Parametern auf Eigenschaften des massiven Proben11,12,4konzentriert. Rasheedat Et Al. untersuchten die Wirkung von Scan-Geschwindigkeit und Pulver-Durchfluss auf die daraus resultierenden Eigenschaften der Laser hinterlegten Ti-6Al-4V Metalllegierung. Sie fanden, dass durch Erhöhung der Scan-Geschwindigkeit und Pulver Durchfluss der Mikrostruktur von Widmanstätten auf ein Martensitisches Gefüge geändert bewirkt eine Erhöhung der Oberflächenrauheit und der Mikrohärte von hinterlegten Proben7. Dennoch hat weniger Aufmerksamkeit zu entwerfen die Layereinstellung Dicke. Choi Et al.. die Korrelation zwischen der Schichtdicke und Prozessparameter untersucht. Sie haben festgestellt, dass die wichtigsten Fehlerquellen zwischen der gegenwärtigen Höhe und die tatsächliche Höhe der Pulver Massenstrom Rate und Schichtdicke13einstellen. Ihr Studium hat nicht richtig dicke Layereinstellung implementiert, weil sie lange und ungenau Prozesse in dicke Layereinstellung beteiligt. Ruan Et Al. haben die Wirkung von Laser-scanning-Geschwindigkeit auf der abgeschiedenen Schichthöhe bei konstanter Laserleistung und Pulver Fütterung Rate14untersucht. Sie haben einige empirische Modelle vorgeschlagen, für dicke Layereinstellung, die unter bestimmten Verarbeitungsbedingungen gewonnen wurden, und so dicke Layereinstellung möglicherweise nicht präzise durch den Einsatz von spezifischen Prozess Parameter15. Im Gegensatz zu früheren Werken ist die Schichtdicke Prozess vorgeschlagen, in diesem Manuskript eine schnelle Methode, die ausgeführt werden kann, ohne Verschwendung von Zeit und Material.

Der Schwerpunkt dieser Arbeit ist eine schnelle Methode zur Bestimmung der Schichtdicke anhand der Merkmale der einzelnen Tracks der Legierung Ti-6Al-4V bei optimalen DED Prozessparameter zu entwickeln. Danach werden die optimalen Prozessparameter eingesetzt, um eine Schichtdicke zu bestimmen und High-Density-Ti-6Al-4V Blöcke ohne verschwenden Zeit und Materialien zu fertigen.

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Protocol

1. Pulver Charakterisierung

  1. Setzen Sie 3 g Ti-6Al-4V Pulver auf einem doppelseitigen klebrige Kohlenstoff-Band, die befindet sich auf einem Aluminium-Pin-Stub, und legen Sie in der Probenkammer ein Feldemission Raster-Elektronenmikroskop (FESEM) zu analysieren, die Morphologie der Pulver-16zu beginnen.
  2. Messen Sie die scheinbare Dichte des Pulvers durch Befüllung eines Behälters 30 cm3 und Messen Sie das Gewicht der Pulver nach der Norm ASTM-B212.
  3. Durchzuführen Sie chemische Analyse des Beginnens Pulver (5-10 g), Pulver (5-10 g) und hinterlegten Block (20 g) mittels elementar (z.B.Leco) und induktiv gekoppelten Plasma (ICP) Analysator17.

(2) gerichtete Energie Ablagerung von Singletrails

  1. Pulver-laden
    1. Tragen Sie persönlichen Schutzausrüstung, einschließlich eine FFP3 Atemmaske konform zu den Anforderungen der EN 149, Einweg puderfrei Nitril-Handschuhe und Schutzbrille aus Kunststoff.
    2. Öffnen Sie den Trichter des Pulvers Fütterungssystem und verwenden Sie eine Dunstabzugshaube (z.B.ATEX) zur Entfernung der restlichen Pulver.
    3. Entfernen Sie den Trichter, indem nach den entsprechenden Anweisungen vom Konstruktor und reinigen Sie jede Komponente mit Ethanol getränkten Küchenpapier.
      Hinweis: Dieser Schritt ist von grundlegender Bedeutung zur Vermeidung von Kontaminationen durch verschiedene Arten von Metallpulvern.
    4. Montieren Sie das Pulver Aufgabetrichter anhand der Anweisungen durch den Konstruktor gegeben. Um das Laden des Pulvers führen lassen Sie nur die obere Kappe des Trichters beiseite.
    5. Laden Sie den Trichter mit Ti-6Al-4V Pulver mit Körnung im Bereich von 50-150 µm. abhängig von der Größe des verfügbaren Trichters, füllen Sie es vollständig aus.
    6. Schließen Sie die obere Kappe des Trichters zur Vermeidung von Undichtigkeiten Gas sehr dicht.
  2. Vorbereitung der Probe
    1. Wählen Sie eine Ti-6Al-4V-Blatt mit den Abmessungen 50 x 50 mm und 4 mm Dicke.
    2. Reinigen Sie die Oberfläche des Blattes Titan mit Ethanol getränkten Küchenpapier. Messen Sie das Gewicht des Blattes mit einer centesimal Balance.
    3. Legen Sie das Blatt auf den Arbeitsbereich entsprechend der Position des Markers. Der Arbeitsbereich ist, wo die Ablagerung stattfinden wird, so dass es gemäß dem programmierten Pfad des Roboters bestimmt ist.
  3. Vorbereitung der Roboter und die Vorbereitung der Ablagerung Ausrüstung
    1. Montieren Sie die Düse auf den Laserkopf, so dass der Winkel zwischen der Achse der Düse und der Laser-Achse 35° ist.
    2. Bewegen Sie den Roboter an den Ausgangspunkt der arbeiten die Kalibrierung.
    3. Überprüfen Sie den Abstand zwischen Düse und die Arbeitsebene und bei Bedarf manuell korrigieren Sie die Düsenposition bis der gemessene Abstand 5 mm beträgt.
      Hinweis: Da der Arbeitsbereich auf einer horizontalen Ebene liegt, dieser Abstand ist der vertikale Abstand zwischen dem Blech und die Spitze der Düse.
    4. Überprüfen Sie die Zentrierung des Düsenaustritt mit dem Laser: Schalten Sie den Laser Guide durch Klicken auf den Befehl "Laser Guide ON" auf die Software für die Steuerung des Lasers. Legen Sie einen dünnen Stab, 0,8 mm Durchmesser und 200 mm in der Länge, in der Düse zu messen. Stellen Sie sicher, dass die Spitze des Stabes und der Ort des Laser Guide sind deckungsgleich. Wenn dies nicht der Fall ist, manuell die Position der Düse, Einhaltung der Abstände und Winkel, die zuvor angegeben.
      Hinweis: In diesem Fall ist der äußere Durchmesser der Düse 1 mm; Wenn eine Düse mit kleinerem Durchmesser eingesetzt wird, verwenden Sie einen Stab, deren Durchmesser kleiner als die der Düse ist.
    5. Überprüfen Sie die Kalibrierdaten in die Roboter-Steuersoftware geschrieben: Klicken Sie auf den Button "Bewerben" auf der Software, und warten auf die Zusammenstellung des Codes.
      Hinweis: Die Software wird nach Fehlern im Code überprüfen; Wenn keine Fehler erkannt werden, ist der Code auf der Robotersteuerung gespeichert. Wenn Fehler entdeckt werden, der Code wird nicht kompiliert, und weitere Überarbeitung benötigt werden.
    6. Aktivieren Sie das Lasermodul Quelle durch Klicken auf den Befehl "Laser aktivieren" auf die Laser-Steuerungs-Software.
      Hinweis: Die eingesetzten Laserquelle ist eine kontinuierliche Faserlaser emittieren im Infrarotbereich (1064 nm) mit 5 kW Maximalleistung.
    7. Der Roboter Motoren durch manuell drücken des Knopfes "Roboter Motoren auf" am Schaltschrank des Roboters zu ermöglichen, und überprüfen Sie, dass die damit verbundene Sicherheit LED leuchtet: Wenn es bedeutet also, dass die Motoren aktiviert sind.
  4. Starten Sie den Prozess der Ablagerung
    1. Wählen Sie die richtige Datei auf die bestehende Programmliste und laden Sie den Arbeitspfad in der wichtigsten Roboter-Routine.
    2. Überprüfen Sie die Parameter für Laser und Roboter: Legen Sie die Laserleistung auf spezifische Laserleistung (325, 650, 980, 1500 W) und die Robotergeschwindigkeit auf einer bestimmten Drehzahl (30, 40, 50, 60 mm/s).
      Hinweis: Diese Parameter werden in die Steuersoftware des Roboters, entsprechend der spezifischen Sprache der Maschine geschrieben.
    3. Bestätigen Sie die neuen Parameter durch Drücken der Taste "Übernehmen" auf die Software, und warten auf die Zusammenstellung des Codes. Die Software wird für Fehler im Code überprüfen; Wenn kein Fehler gefunden werden, der Code wird auf der Robotersteuerung gespeichert und es ist bereit, ins Leben gerufen werden. Starten Sie die Roboter-Routine durch Drücken der Taste "START" auf die Roboter-Steuerungs-Software.
  5. Die Probe mithilfe der speziellen Nipper holen Sie ab, und reinigen Sie die Oberfläche der Probe mit einem Ethanol-getränkten Papiertuch für das restliche Pulver entfernen.

3. analysieren Sie die einzelnen Tracks

  1. Analysieren Sie die einzelnen Tracks von oben durch ein Stereo-Mikroskop bei 5 X Vergrößerung.
    Hinweis: In dieser Phase sind einige Bilder mittels eines Stereomikroskops entnommen und visuell analysiert.
  2. Schneiden der einzelnen Tracks aus der Mitte der hinterlegten Strecken mit einem präzisen Schneidwerkzeug senkrecht zur Ablagerung.
  3. Montieren Sie den Querschnitt eines einzelnen Tracks in Epoxidharz. Wählen Sie eine Montage-Tasse und entgegenbringen Sie die saubere und trockene Probe. Messen Sie die richtigen Mengen an Harz sorgfältig nach Gewicht (10 g/Probe) und dann mischen Sie mit einem flüssigen Härters (6 g/Probe). Das Exemplar der Harzmischung übergießen und die gefüllten Montage Tassen 30 min bei Raumtemperatur aushärten lassen. Danach Schleifen die montierte Exemplare mit 500, 800 und 1.200 Grit SiC-Papier, und dann Polieren mit Diamantpaste bis auf die feineren Größen der Diamantpartikel (1 µm).
  4. Analysieren Sie die polierten Oberflächen in Bezug auf Form und Porosität mit Hilfe des optischen Mikroskops. Die Bilder der Schmelze Pools mit dem Lichtmikroskop bei 10facher Vergrößerung zu erwerben und dann analysieren sie mit Bild-J-Software.
  5. Messen Sie die Höhe der Schmelze Pools durch Messung der Entfernung zwischen dem oberen und unteren Rand der Schmelze Pool. Danach zeichnen Sie die gemessene Höhe der Schmelze Pools als Funktion der spezifischen Energiedichte, die nach der entsprechenden Gleichung berechnet wird. In der Tat kann die Energiedichte durch die folgende Gleichung berechnet werden:
    Equation 1
  6. Passen Sie eine Polynom 2Nd Ordnung auf den experimentellen Ergebnissen die Gleichung entspricht der Schichtdicke in Abhängigkeit von spezifischen Energiedichte zu erhalten.
  7. Betrachten Sie eine spezifische Energiedichte zu, und berechnen Sie die Schichtdicke entsprechend ihrer Beziehung, die im vorherigen Schritt beobachtet wurde.
  8. Überprüfen die Methode, einen mehrlagigen Block unter Berücksichtigung der berechneten Schichtdicke herzustellen, und dann charakterisieren den Abschnitt von Blöcken in Bezug auf die Porosität und endgültige Höhe.
  9. Analysieren Sie die Mikrostruktur des vorgefertigten Blocks nach einer Politur die gleiche Prozedur wie Abschnitt 3.3 Schritt. In der Tat nach dem abschließenden Polieren, Ätzen die Proben für 30 s mit Krolls Reagenz, das 92 mL destilliertem Wasser, 6 mL Salpetersäure und Flusssäure 2 mL enthält.

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Representative Results

Für die experimentellen Untersuchungen wurde unregelmäßig Ti-6Al-4V-Pulver mit einer durchschnittlichen Größe von 50-150 µm und Rohdichten von 1,85 g/cm3 als Hinterlegung Material (Abbildung 1) eingesetzt. Die chemische Analyse des Pulvers bestätigt, dass der Sauerstoff und Stickstoff Inhalt des Pulvers nicht geändert haben, vor und nach der Abscheidung, während in beiden Fällen der Sauerstoffgehalt höher als der standard Sauerstoffgehalt von Ti-6Al-4V Pulver für war additive Fertigung (< 0,13 %). Allerdings erhöhte sich der Sauerstoff und Stickstoff Inhalt der Bulk-Komponenten nach der Absetzung.

Figure 1
Abbildung 1: Ti-6Al-4V Ausgangspulver dient als Hinterlegung Material. Dies ist eine unregelmäßige Pulver mit einer durchschnittlichen Größe von 100-150 µm und Rohdichten von 1,85 g/cm3.

C S Al Fe H N O V TI
Neuschnee 0,017 < 0,001 5,83 0,08 0,013 0,022 0,23 3,89 Bal.
Verwendete Pulver 0,016 < 0,001 5,86 0,08 0,012 0.02 0,22 3,87 Bal.
Bulk-Komponente 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.

Tabelle 1: die chemische Zusammensetzung des Ti-6Al-4V Pulver vor und nach der Ablagerung (Gewichtsprozent). Es zeigt, dass der Sauerstoff und Stickstoff Inhalt des Pulvers nicht ändern vor und nach der Abscheidung, während in beiden Fällen der Sauerstoffgehalt höher als der standard Sauerstoffgehalt von Ti-6Al-4V Pulver für additive Fertigung ist.

Abbildung 2 zeigt die einzelnen Tracks des Ti-6Al-4V nach Absetzung an verschiedenen Laserleistung und Laser-Legierung scan-Geschwindigkeit. Wie gesehen werden kann, durch die Laserleistung zunehmenden und abnehmenden der Laser-Scan-Geschwindigkeit, die Größe der einzelnen Tracks erhöht.

Figure 2
Abbildung 2: einzelne Spuren der Legierung Ti-6Al-4V nach Absetzung. Diese einzelne Tracks wurden in verschiedenen Laserleistung und Laser-Scan-Geschwindigkeit hinterlegt und analysiert von oben. Durch die Laserleistung zunehmenden und abnehmenden des Lasers scan-Geschwindigkeit, ihre Größe erhöht.

Abbildung 3 zeigt den Querschnitt der einzelnen Tracks nach der Absetzung, und durch die Erhöhung der Laserleistung, die Höhe der einzelnen Tracks stark zugenommen. Darüber hinaus erhöhte sich die Höhe der Ablagerung durch eine Verringerung der Laser-Scan-Geschwindigkeit bei konstanter Laserleistung, während bei geringen Laserleistung und sehr hohe Laser-Scan-Geschwindigkeit, die Höhe der Ablagerung unbedeutend war. Trotz der Höhe der Schmelze Pool war die Porosität Bildung innerhalb der Schmelze Pool, insbesondere in der Nähe der Schnittstelle zwischen der Schmelze Pool/Fusion Zone, ein weiteres Phänomen, das nach der Absetzung offenbart wurde.

Figure 3
Abbildung 3: Querschnitt der einzelnen Tracks nach der Absetzung. Durch die Erhöhung der Laserleistung und die Laser-Scan-Geschwindigkeit verringern, verringerte sich die Höhe der Schmelze Pool. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Die Beziehung zwischen den einzelnen Schienenhöhe und verschiedene Prozessparameter ist in Abbildung 4dargestellt. Die Höhe des Singletrails mit verschiedenen Laser Scangeschwindigkeiten erhöht durch eine Erhöhung der Leistung des Lasers, was darauf hindeutet, dass die Leistung des Lasers bis zu einem gewissen Punkt einen positiven Effekt auf die Ablagerung Höhe (Abb. 4a hat). Jedoch nach diesem kritischen Punkt wirkt die Laserleistung sich negativ auf das Wachstum der Ablagerung durch die Lieferung von zu viel Energie in die Schmelze Pool. Es war darüber hinaus festgestellt, dass, wie der Laserscanning-Geschwindigkeit erhöht die Energiezufuhr im schmelzenden Pool wurde reduziert und die Pulver-Fördermenge indirekt verringert wurde und folglich die hinterlegte Höhe bemerkenswert verringert (Abbildung 4 b).

Figure 4
Abbildung 4: Wirkung von unterschiedlichen Prozessparametern auf eingleisigen Dimension. Es ist klar, dass als die Laser-scanning-Geschwindigkeit erhöhte (b), die Energiezufuhr im schmelzenden Pool wird reduziert und das Pulver Lieferung Rate (a) indirekt verringert wird und, infolgedessen die hinterlegte Höhe bemerkenswert verringert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Diese Ergebnisse zeigen deutlich den Einfluss der verschiedenen Prozessparameter auf die Geometrie der hinterlegten Strecken. Trotz wertvolle Einblicke in den Prozess, ist die Bewertung der hinterlegten Höhe noch aufgrund der Vielzahl der Parameter eine Herausforderung, die beteiligt waren. So wurden einige Anstrengungen unternommen, um eine neue Strategie zur Bewertung der Wirkung der Kombination von Prozessparameter auf die Geometrie der hinterlegten Strecke zu entwickeln.

Wie gezeigt wurde, die Höhe der abgeschiedenen Schicht erhöht durch die Erhöhung der Laserleistung, und es war klar, dass dies war nicht der einzige Parameter, der die Höhe des schmelzenden Pools betrifft. In der Tat in der Zeit benötigt, um ein bestimmtes Volumen des Substrates zu schmelzen und eine entsprechende Schicht geschmolzenen Materials zu deponieren, ein gewisses Maß an Energie und Pulver auf das Substrat vorzusehen. Diese Energie wird nicht nur durch Laserleistung und Laser-Scan-Geschwindigkeit bestimmt, sondern auch die Laser-spot-Größe betrachtet werden. Zu diesem Zweck ist die spezifische Energiedichte pro Maßeinheit Punktgröße (E) und Pulverförderung Dichte (F) berechnet, um die Wirkung der Kombination dieser Parameter zu bewerten.

E, die die spezifische Energiedichte ist, zeigt, dass die Energie, die in der Schmelze Pool durch den Laser und im Prinzip ausgeliefert ist verantwortlich für das Schmelzen von Substrat und Pulver. Diese Energiedichte wird als8 ausgedrückt.

Equation 2(1)

E die spezifische Energiedichte pro Maßeinheit Punktgröße, P ist die Laserleistung (W), V ist die Laser-Scan-Geschwindigkeit (mm/s) und D ist Laser-spot-Größe (mm). Um eine geeignete Ablagerung Ebene für jedes metallische Material zu erhalten, ist ein gewisses Maß an Energie, unterhalb derer keine Fusion-Bonds erreicht werden können, und darüber hinaus die Verdünnung zu groß wird. Ein weiterer Faktor, der die Wirkung der Kombination von Parametern zeigt ist, dass die Pulver-Dichte (F), die sein kann wie folgt berechnet8

Equation 3(2)

Hier F ist die Pulverförderung Dichte, und G ist das Pulver Fütterung Rate (g/s).

Abbildung 5 zeigt die Variation der abgeschiedenen Schichthöhe in Abhängigkeit von spezifischen Energiedichte. Wie man sehen kann, erhöht die Höhe des Singletrails durch die Erhöhung der spezifischen Energiedichte bezogen auf die höheren Wärmeeintrag in die höhere Energiedichte der Laser. Die empirische Korrelation zwischen die Energiedichte und die Höhe der Ablagerung sind wie folgt:

h = 14,99 E – 17,85 (3)

Aus dieser Gleichung kann die Höhe der hinterlegten Strecke durch die Berechnung der spezifischen Energiedichte und diese Gleichung geschätzt werden. Auf der anderen Seite zeigten die Variation der hinterlegten Höhe als Funktion der Pulver-Dichte, die in Abbildung 6dargestellt ist, dass durch die Erhöhung der Pulver-Dichte, die Höhe der hinterlegten Strecke erhöht, und die empirische Beziehung zwischen diesen kann wie folgt ausgedrückt:

h = 38477 F – 157.06 (4)

Diese Gleichung zeigt, dass die Höhe der hinterlegten Strecke durch die Berechnung der Dichte Pulver und diese Gleichung berechnet werden kann. GL. 3 und GL. 4 zeigen, dass durch die Kombination der Prozessparameter und die Berechnung der spezifischen Energiedichte und Pulver Dichte, es ist möglich, prognostiziert die hinterlegte Höhe und folglich finden die beste Domain, die beste Qualität der Ablagerung zu erreichen.

Figure 5
Abbildung 5: eingleisig Höhe (h) gegen spezifische Energiedichte (E). Die Höhe des Singletrails durch die Erhöhung der spezifischen Energiedichte bezogen auf die höheren Wärmeeintrag bei höheren Energiedichte der Laser erhöht. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 6
Abbildung 6: eingleisig Höhe (h) als Funktion des Pulvers feed Dichte (F). Durch die Erhöhung der Pulverausstoß Dichte, erhöhte sich die Höhe der hinterlegten Track. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

In direkte Energie Abscheidung metallischer Werkstoffe ist h (Schichthöhe oder ΔZ) ein sehr wichtiger Faktor, der die Qualität der Komponente nach der Absetzung betrifft. Bei der konventionellen direkte Energie-Abscheidung von metallischen Bauteilen die Höhe der Absetzung Schicht gilt als eine konstante und, abgesehen von der Geometrie der Komponente und das Material, die Prozessparameter wurden solche Laserleistung und Laser-Scan-Geschwindigkeit so optimiert, dass um die letzte Komponente zu fabrizieren. In der Tat, die Schichten in eine konstante Dicke schneiden nicht in der Regel die Prozessparameter entspricht. Daher kann diese Dicke manuell oder empirisch, geändert werden die Opfer der Qualität der Komponenten und der Fertigung. Im Allgemeinen kann in konventionellen Ebene schneiden, über oder unter deposition durch die Annäherungen bei der Prüfung der Schichtdicke, erfolgen, die weitere Korrekturen wie nachfolgende Ablagerung oder zusätzlichen Schichten (Abbildung 7a Bearbeitung braucht ). So hat in diesem Werk Anstrengungen unternommen wurden um eine neue Strategie um festzustellen, die Schichtdicke nach den Prozessbedingungen die bei der Herstellung von Komponenten verwendet werden.

Figure 7
Abbildung 7: schneiden. (a) konventionellen slicing-Strategie, (b) neu schneiden Strategie nach der optimalen Prozessparameter; in konventionellen Ebene schneiden, kann über oder unter deposition aufgrund der Annäherungen bei der Prüfung der Schichtdicke, die erreicht werden weitere Korrekturen, wie nachfolgende Ablagerung oder Bearbeitung der zusätzlichen Schichten braucht. Bei diesem Ansatz wird die Schichtdicke für die Herstellung der Komponente nach einer einlagigen Höhe bezogen auf die spezifische Energiedichte von zwei kombinierten Parametern bestimmt. E ist die spezifische Energiedichte pro Maßeinheit Punktgröße, F ist die Pulverförderung Dichte tDep ist die einheitliche Schichtdicke und t-Schicht ist die Scheibendicke.

In der Tat bei diesem Ansatz wird die Schichtdicke für die Herstellung der Komponente nach einer einlagigen Höhe bezogen auf die spezifische Energiedichte von zwei kombinierten Parametern bestimmt. Um diese Methode der Nachweis und die Korrelation zwischen der Qualität des Bauteils und unterschiedliche Schichtdicke zu prüfen, wurden einige einfache Würfel in verschiedenen ΔZ gebaut und dann ihre Querschnitte wurden ausgewertet.

Abbildung 8a -b zeigt die repräsentative Querschnitte der Multilayer-Blöcke, die nach der herkömmlichen Methode produziert wurden. Wie in Tabelle 2, nach dem Aufschneiden Strategie gesehen werden kann die 0,325 mm als die Schichtdicke hält sollte die gewünschte Höhe des Blocks, dargestellt in Abbildung 8a ca. 5,2 mm. Jedoch wurde bei der konventionellen Methode, die endgültige Höhe des 10,11 mm (übermäßige Ablagerung) erreicht die ergibt sich eine hohe ΔZ (0,6 mm) während des Prozesses in Betracht zu ziehen. Dieser übermäßige Ablagerung Prozess führte das Fehlen der Fusion zwischen den Schichten und eine hohe Porosität im Inneren der Probe. Auf der anderen Seite Abbildung 8 b zeigt, dass durch die Berücksichtigung eines niedrigen ΔZ, die gewünschte Höhe nicht erreicht werden kann und dadurch eine lange Abscheidung und unerwünschte Mikrostruktur. Diese Unterschiede bedeuten, dass bei der konventionellen Methode, die Schichten in einer festen Dicke schneiden in der Regel nicht der Prozessparameter entspricht und somit nicht die gewünschte Schichtdicke erreicht werden. Ein Querschnitt des Blocks, die nach dem Aufschneiden Strategie produziert wurde, ist in Abbildung 9dargestellt. Wie durch unter Berücksichtigung einer angemessenen ΔZgesehen werden kann, könnte es möglich, hervorragende Maßhaltigkeit zu erreichen sein. Jedoch kann die Maßhaltigkeit auf einem hohen Niveau der Laserleistung infolge hoher Eingangsenergie verringert werden, was dazu führt das Abschmelzen der darunter liegenden Ebene. Tabelle 2 zeigt, dass mithilfe der Slice Methode eine stabilere schmelzen Pool Position erreicht werden kann, und folglich erhöht sich die Maßhaltigkeit. Abbildung 9 zeigt einen Block, entsteht nach dem Aufschneiden Ansatz, und wie kann man durch die Verwendung einer geeigneten ΔZ (~ 0,5 mm) die gewünschte Höhe der Absetzung wurde erhalten.

Figure 8
Abbildung 8: Beispiele für Proben von der konventionellen Methode produziert. Entsprechend die slicing-Strategie die 0,325 mm als die Schichtdicke hält, sollte die gewünschte Höhe des Blocks die im Panel eine angezeigt wird ca. 5,2 mm. Jedoch wurde bei der konventionellen Methode, die endgültige Höhe des 10,11 mm (übermäßige Ablagerung) erreicht die ergibt sich eine hohe ΔZ (0,6 mm) während des Prozesses in Betracht zu ziehen. Auf der anderen Seite zeigt Panel b , dass durch die Berücksichtigung eines niedrigen ΔZ, die gewünschte Höhe nicht erreicht werden kann, und zu einem langen Abscheidung und unerwünschte Mikrostruktur führt. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 9
Abbildung 9: Beispiel für eine Probe von slicing Ansatz hergestellt. Es bestätigt, dass eine ordnungsgemäße ΔZ Betrachtung ergibt sich eine hervorragende Maßhaltigkeit.

Laserleistung (W) Dicke (mm) Anzahl der Schichten Gewünschte Höhe (mm) Hinterlegte Höhe (mm)
Konventionelle Methode 350 0,325 16 5.206 10,114
1500 0.758 8 6.07 3.425
Schneiden Methode 325 0.485 5 7.436 7.245

Tabelle 2: Vergleich der hinterlegten Höhe und gewünschte Höhe in konventionellen und slicing Methoden. Es zeigt, dass mithilfe der Slice Methode eine stabilere schmelzen Pool Position erreicht werden kann und folglich, die Maßhaltigkeit erhöht.

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Discussion

Dabei lag der Schwerpunkt auf das slicing Dicke setzen in der DED-Prozess der Ti-6Al-4V, entsprechend der Geometrie der Schmelze Pool Eigenschaften. Zu diesem Zweck wurde ein zweistufiges Protokoll definiert und verwendet. Der erste Teil des Protokolls war eine Optimierung der Prozessparameter für Einzelscan Ablagerung während dieses Schrittes, die optimalen Parameter wurden erreicht und die Schmelze Pool Geometrien wurden gemessen. Im zweiten Teil des Protokolls wurde die spezifische Energiedichte von Proben bei der optimalen Parameter berechnet. In diesem Schritt die Höhe des Pools Schmelze wurde als Funktion der Energiedichte aufgetragen und in diesem kritischen Schritt die Schichtdicke für die mehrschichtige Abscheidung erreicht werden.

DED da verschiedene Prozessparameter die Dicke der Schichten ändern, kann nicht die Abscheidung von Schichten mit einer konstanten Schichtdicke in einer präzisen Geometrie des Bauteils führen. Es bedeutet, dass wenn man eine feste Schicht Dicke zur Abscheidung, unabhängig von der Prozessparameter, zu unter - oder over - deposition, dass geometrische Fehler führt und folglich eines langen Produktionsprozesses führt. Der Zweck dieser Untersuchung war es, die Beziehung zwischen den Slice Dicke Einstellungsverfahren, die tatsächliche Höhe der hinterlegten und den Prozessbedingungen zu erkunden. Es wurde festgestellt, dass durch die Kombination der Geometrie der Schmelze Pool und Prozess-Parameter, es möglich wäre, die optimale Schichtdicke, verbunden mit den spezifischen Prozess-Parametern in einem kürzeren Zeitraum zu bestimmen, die traditionelle Methoden.

Die Slice-Strategie nutzt die Gleichungen, die die Einzellagen-Höhe im Zusammenhang mit den spezifischen Energiedichte zu erhalten. Die letzte Komponente ist nach der einlagigen Höhe für einen bestimmten Zustand der Hinterlegung in Scheiben geschnitten. Um die vorgeschlagene Methode zu überprüfen, wurden einige Blöcke nach dem Aufschneiden Ansatz produziert. Die Ergebnisse dieser Forschungen haben gezeigt, dass durch den Einsatz dieses Protokolls, es möglich wäre, die Schichtdicke zu bestimmen ist einer der wichtigsten Parameter, die korrekt berücksichtigt werden sollte, eine Komponente mit genauen Abmessungen bauen. Die einzige Einschränkung dieses Protokolls, die betrachtet werden kann ist die Abhängigkeit der Ergebnisse von der Art des Materials und somit sollte dieses Protokoll durchgeführt werden, für jede Art von Material. Um die Genauigkeit der Dicke Layereinstellung zu erhöhen, kann die Breite des Beckens Schmelze darüber hinaus auch im Protokoll betrachtet werden. Der wichtigste Schritt im Protokoll ist die Messung der Schmelze Pool Geometrie so, dass jeder Fehler, auch kleine Fehler in diesem Schritt können eine erhebliche Fehler in der Schicht Dicke Einstellung führen.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Acknowledgments

Die Autoren möchte das europäische Forschungsprojekt Zugehörigkeit zu Forschung und Innovation Programm Horizont 2020 Borealis - 3A Energieklasse Flexible Maschine für die neue Additive und subtraktive Herstellung auf die nächste Generation von komplexen 3D anerkennen Metallteile

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Ti-6Al-4V powder Xi’Tianrui new material As starting material
ISOMET precision cutter Bohler To cut the samples
Polishing machine Presi To polish the samples
EpoFix resin Presi To mount the samples
Diamond paste Presi For polishing
Optical Microscope Leica Microstructural observation
Field emission scanning electron microscope Merlin-Zeiss Microstructural observation
Stereo microscope Leica
LEC1- CS444 ANALYSER IncoTest Chemical analysis
LEC3 - ELTRA OHN2000 ANALYSER IncoTest Chemical analysis
LEC2 - LECO TC436AR ANALYSER IncoTest Chemical analysis
ICP IncoTest Chemical analysis
IRB 4600 ABB Antropomorphic robot
GTV PF GTV Powder feeding system
YW 52 Precitec Laser head
Nozzles IRIS Nozzle for feeding powders
YLS 3000 IPG Photonics Laser source

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References

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