Produzione di singole tracce di Ti-6Al-4V per deposizione di energia diretta per determinare lo spessore di strato per deposizione multistrato

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Summary

In questa ricerca, un metodo rapido basato sulla caratterizzazione di fusione piscina è sviluppato per stimare lo spessore dello strato di Ti-6Al-4V componenti prodotti da deposizione di energia diretta.

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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

Regia di deposizione di energia (DED), che è una tecnica di produzione additiva, comporta la creazione di un pool fuso con un fascio laser dove polvere metallica viene iniettata come particelle. In generale, questa tecnica è impiegata per fabbricare o riparare componenti diversi. In questa tecnica, le caratteristiche finali sono influenzate da molti fattori. Infatti, uno dei compiti principali nella costruzione di componenti di DED è l'ottimizzazione dei parametri di processo (ad esempio potenza laser, laser velocità, messa a fuoco, ecc.) che è effettuato solitamente attraverso un'estesa indagine sperimentale. Tuttavia, questo tipo di esperimento è estremamente lunghi e costosi. Così, al fine di accelerare il processo di ottimizzazione, un'indagine è stata condotta per sviluppare un metodo basato sulle caratterizzazioni di piscina si fondono. Infatti, in questi esperimenti, singole tracce di Ti-6Al-4V sono state depositate da un processo DED con molteplici combinazioni di potenza del laser e laser velocità. Morfologia e le dimensioni delle singole tracce sono stati analizzati e caratteristiche geometriche delle piscine di fusione sono state valutate dopo lucidatura e incisione le sezioni trasversali. Informazioni utili per quanto riguarda la selezione dei parametri di processo ottimale ottenibile esaminando le caratteristiche di fusione piscina. Questi esperimenti sono stati estesi per caratterizzare i blocchi più grandi con più livelli. Infatti, questo manoscritto descrive come sarebbe possibile determinare rapidamente lo spessore di strato per il deposito voluminoso ed evitare sopra o sotto-deposizione secondo la densità di energia calcolata dei parametri ottimali. Oltre alle sopra o sotto-deposizione, tempo e materiali di risparmio sono altri grandi vantaggi di questo approccio in cui la deposizione di componenti multistrati può essere avviata senza alcuna ottimizzazione parametro in termini di spessore dello strato.

Introduction

Ti-6Al-4V è il più comunemente usato industrie biomediche e lega di titanio in aerospaziale, aereo, automobilistico, a causa del suo alto rapporto resistenza-peso, eccellente tenacità, basso peso specifico, eccellente resistenza alla corrosione e calore trattabilità. Tuttavia, suoi ulteriori sviluppi in altre applicazioni sono difficili, grazie alla sua bassa conducibilità termica e le caratteristiche di elevata reattività, che provocare la sua scarsa lavorabilità. Inoltre, a causa del calore fenomeni di indurimento durante il taglio, trattamenti termici specifici devono essere intrapreso1,2,3,4.

Ciò nonostante, additivo (AM) tecnologie di produzione hanno mostrato grandi potenzialità per essere utilizzato come nuove tecniche di produzione che possono ridurre il consumo di energia e di prezzo e affrontare alcune delle sfide attuali nella fabbricazione della lega Ti-6Al-4V.

Tecniche di produzione additiva sono conosciuti come innovativo e possibile fabbricare una forma netta vicino componente in maniera strato dopo strato. Un approccio di produzione additiva strato dopo strato, che fette un modello di Computer Aided Design (CAD) in strati sottili e quindi crea il componente strato dopo strato, è fondamentale per tutti i metodi di AM. In generale, produzione additiva dei materiali metallici può essere diviso in quattro diversi processi: polvere letto, polvere feed (soffiata polvere), filo di alimentazione e altri percorsi3,5,6.

Diretto energia deposizione (DED) è una classe di produzione additiva ed è un processo di polvere soffiato che fabbrica tridimensionale (3D) vicino a parti solide di net-shape da un file CAD simile ad altri metodi di AM. In contrasto con altre tecniche, DED può essere utilizzato non solo come un metodo di fabbricazione, ma può essere impiegato anche come una tecnica di riparazione per le parti di alto valore. Nel processo di DED, materiale in polvere o filo metallico è alimentato da un gas di trasporto o motori in piscina della fusione, che viene generato dal laser del fascio su entrambi il substrato o precedentemente depositano strato. Il processo DED è un promettente processo di fabbricazione avanzata che è in grado di diminuire il rapporto di acquistare al volo ed è anche in grado di riparare parti di alto valore che in precedenza erano proibitivamente costosi da sostituire o irreparabile7.

Per ottenere la desiderata dimensioni geometriche e proprietà del materiale, è fondamentale per stabilire i parametri appropriati8. Parecchi studi sono stati intrapresi per chiarire la relazione tra i parametri di processo e le proprietà finali del campione depositato. Peyre et al. 9 costruito alcune pareti sottili con parametri di processo differenti e quindi li caratterizzati utilizzando profilometria 2D e 3D. Hanno mostrato che lo spessore di strato e volume della piscina si fondono sui parametri di rugosità notevolmente. Vim et al. 10 ha proposto un modello al fine di analizzare la relazione tra i parametri di processo e le caratteristiche geometriche di un strato di rivestimento singolo (altezza rivestito, rivestito di larghezza e profondità di penetrazione).

Ad oggi, diversi studi su DED di Ti leghe sono stati segnalati, più dei quali incentrato sull'influenza della combinazione di parametri sulle proprietà dell'enorme campioni11,12,,4. D'atteo et al. ha studiato l'effetto della scansione velocità e polvere portata sulle proprietà risultante della laser metallo depositata lega Ti-6Al-4V. Hanno trovato che aumentando la velocità di scansione e polvere portata la microstruttura è cambiato da Widmanstätten a una microstruttura martensitica, che si traduce in un incremento della rugosità superficiale e la microdurezza dei campioni depositati7. Tuttavia, meno attenzione è stata pagata a progettare l'impostazione dello spessore di strato. Choi et al. hanno studiato la correlazione tra i parametri di processo e spessore dello strato. Hanno trovato che le principali fonti di errore tra l'altezza attuale e l'altezza effettiva sono il flusso di massa di polvere tasso e strato spessore impostazione13. Loro studi non implementano correttamente l'impostazione dello spessore di strato perché essi coinvolti processi lunghi e imprecisi nell'impostazione dello spessore di strato. Ruan et al. hanno studiato l'effetto della velocità sull'altezza di strato depositato presso una potenza costante laser e polvere di tasso14di scansione laser. Essi hanno proposto alcuni modelli empirici per impostazione di spessore di strato che sono stati ottenuti in condizioni di elaborazione specifica, e quindi l'impostazione di spessore di strato può non essere preciso dovuti all'utilizzo di parametri di processo specifico15. A differenza di precedenti lavori, lo spessore di strato impostazione processo proposto in questo manoscritto è un metodo rapido che può essere eseguito senza sprecare tempo e materiali.

L'obiettivo principale di questo lavoro è quello di sviluppare un metodo rapido per la determinazione dello spessore di strato sulla base delle caratteristiche delle singole tracce della lega Ti-6Al-4V a parametri di processo ottimali DED. Da allora in poi, i parametri di processo ottimali sono impiegati per determinare uno spessore dello strato e fabbricare ad alta densità Ti-6Al-4V blocchi senza perdere tempo e materiali.

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Protocol

1. polvere caratterizzazione

  1. Mettere 3 g di avvio Ti-6Al-4V polveri su un nastro biadesivo appiccicoso carbonio, che si trova su un albero mozzo perno di alluminio e inserisce all'interno della camera di esemplare di un microscopio elettronico a scansione di emissione di campo (FESEM) per analizzare la morfologia della polvere16.
  2. Misurare la densità apparente della polvere riempiendo un contenitore di3 cm 30 e misurare il peso di polvere secondo la norma ASTM-B212.
  3. Eseguire analisi chimiche di avviamento (5-10 g), utilizzato in polvere (5-10 g) e depositato blocco (20 g) per mezzo di elemental (ad es., Leco) e induttivamente accoppiato al plasma (ICP) analizzatore17.

2. deposizione di energia diretta di singoli brani

  1. Carico di polvere
    1. Indossare dispositivi di protezione individuale, tra cui una maschera respiratoria FFP3 conforme ai requisiti della EN 149, guanti in nitrile monouso senza polvere e bicchieri di plastica protettive.
    2. Aprire la tramoggia della polvere sistema di alimentazione e utilizzare un aspiratore (ad es., ATEX) per rimuovere le polveri residue.
    3. Togliere la tramoggia seguendo le istruzioni fornite dal costruttore e pulire ogni componente utilizzando salviette di carta imbevuto di etanolo.
      Nota: Questo passaggio è fondamentale per evitare la contaminazione da diversi tipi di polveri metalliche.
    4. Rimontare la polvere tramoggia di alimentazione seguendo le istruzioni fornite dal costruttore. Lasciare da parte solo il tappo superiore della tramoggia al fine di eseguire il caricamento della polvere.
    5. La tramoggia di carico con polveri di Ti-6Al-4V avendo granulometria nel range di 50-150 µm. a seconda delle dimensioni della tramoggia disponibile, riempirlo completamente.
    6. Chiudere il tappo superiore della tramoggia molto strettamente al fine di evitare eventuali perdite di gas.
  2. Preparazione del campione
    1. Prendere un foglio di Ti-6Al-4V con dimensioni di 50 x 50 mm e spessore 4 mm.
    2. Pulire la superficie del foglio di titanio con asciugamani di carta imbevuto di etanolo. Misurare il peso del foglio con una bilancia centesimale.
    3. Posizionare il foglio sull'area di lavoro in base alla posizione del marcatore. L'area di lavoro è dove la deposizione avrà luogo, quindi è determinato secondo il percorso programmato del robot.
  3. Preparazione del Robot e la preparazione delle attrezzature deposizione
    1. Montare l'ugello sulla testa del laser in modo che l'angolo tra l'ugello e l'asse del laser è di 35°.
    2. Spostare il robot al punto di partenza di lavoro per eseguire la calibrazione.
    3. Controllare la distanza tra l'ugello ed il piano di lavoro e, se necessario, correggere manualmente la posizione dell'ugello fino a quando la distanza misurata è di 5 mm.
      Nota: Poiché l'area di lavoro si pone su un piano orizzontale, questa distanza è la distanza verticale tra la lamiera e la punta dell'ugello.
    4. Controllare il centraggio dell'ugello di uscita con il laser: Accendi la prima volta, la guida laser scegliendo il comando "Laser guida su" il software per il controllo del laser. Poi, mettere una canna sottile, misura 0,8 mm di diametro e 200 mm di lunghezza, all'interno dell'ugello. Verificare che la punta dell'asta e il luogo della guida laser sono coincidenti. In caso contrario, regolare manualmente la posizione dell'ugello, rispettando le distanze e gli angoli precedentemente indicati.
      Nota: In questo caso, il diametro esterno dell'ugello è 1 mm; Se viene impiegato un ugello con un diametro più piccolo, utilizzare una canna in cui il diametro è inferiore a quella dell'ugello.
    5. Verificare i dati di calibrazione scritti nel software di controllo di robot: fare clic sul pulsante "Applica" sul software e attendere la compilazione del codice.
      Nota: Il software controllerà per errori nel codice; Se non vengono rilevati errori, il codice è memorizzato sul controllo robot. Se vengono rilevati errori, il codice non compilato, e sarà necessari ulteriori revisione.
    6. Abilitare il modulo sorgente laser scegliendo il comando "Laser attiva" il software di controllo laser.
      Nota: La sorgente laser autonomo è un laser a fibra continua emissione nella regione dell'infrarosso (1064 nm) con 5 kW di potenza massima.
    7. Motori del robot per abilitare manualmente premendo il pulsante "Robot motori su" il quadro elettrico del robot e controllare che la sicurezza relative al LED è illuminata: se così, vuol dire che i motori siano abilitati.
  4. Avviare il processo di deposizione
    1. Selezionare il corretto file all'elenco di programma esistente e caricare il percorso di lavoro nella routine robot principale.
    2. Verificare i parametri laser e robot: impostare la potenza del laser per la potenza del laser specifici (325, 650, 980, 1500 W) e la velocità del robot per una data velocità (30, 40, 50, 60 mm/s).
      Nota: Questi parametri sono scritti nel software di controllo del robot, secondo il linguaggio specifico della macchina.
    3. Confermare i nuovi parametri premendo il pulsante "Applica" sul software e aspettare per la compilazione del codice. Il software verificherà per errori nel codice; Se non vengono rilevati errori, il codice è memorizzato sul controllo robot ed è pronto per essere lanciato. Lanciare la routine di robot premendo il pulsante "START" il software di controllo del robot.
  5. Raccogliere il campione utilizzando la pinza speciale e pulire la superficie del campione con un tovagliolo di carta imbevuto di etanolo per la rimozione di eventuali residui di polvere.

3. analizzare le singole tracce

  1. Analizzare le singole tracce dall'alto di un microscopio stereo a 5 ingrandimenti.
    Nota: In questa fase, alcune immagini sono prese per mezzo di un microscopio stereo e analizzate visivamente.
  2. Tagliare le singole tracce da metà delle tracce depositate perpendicolare alla direzione di deposizione utilizzando uno strumento di taglio preciso.
  3. Montare la sezione trasversale di singoli brani in resina epossidica. Scegliere una tazza di montaggio e introdurre la provetta pulita e asciutta in esso. Misurare con attenzione la corretta quantità di resina in peso (10 g/campione) e poi mescolare con un liquido indurente (6 g/campione). Versare la miscela di resina sopra il preparato e lasciare le tazze riempite montaggio per curare per 30 min a temperatura ambiente. Da allora in poi, macinare gli esemplari montati con 500, 800 e 1.200 grana dimensioni SiC e quindi lucidare utilizzando pasta di diamante verso il basso per le dimensioni più sottili di particelle di diamante (1 µm).
  4. Analizzare le superfici lucidate in termini di forma e porosità per mezzo di un microscopio ottico. Acquisire le immagini delle piscine si fondono con il microscopio ottico a 10 ingrandimenti e poi analizzarli utilizzando software di immagine-J.
  5. Misurare l'altezza delle piscine di fusione misurando la distanza tra la parte superiore e fondo della piscina si fondono. In seguito, è possibile tracciare l'altezza misurata di fusione piscine in funzione della densità specifica di energia, che viene calcolata secondo la sua equazione corrispondente. Infatti, la densità di energia può essere calcolata mediante la seguente equazione:
    Equation 1
  6. Montare una polinomiale di ordine 2nd sui risultati sperimentali per ottenere l'equazione corrispondente allo spessore di strato in funzione della densità di energia specifica.
  7. Considera una densità di energia specifica e calcolare lo spessore di strato secondo il loro rapporto, che è stata osservata nel passaggio precedente.
  8. Per verificare il metodo, fabbrichiamo un blocco multistrato considerando lo spessore calcolato e quindi caratterizzano la sezione dei blocchi in termini di porosità e altezza finale.
  9. Analizzare la microstruttura del blocco fabbricato dopo una lucidatura passo nella stessa procedura come sezione 3.3. Infatti, dopo la lucidatura finale, etch i campioni per 30 s con reagente di Kroll, che contiene 92 mL di acqua distillata, 6 mL di acido nitrico e acido fluoridrico 2 mL.

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Representative Results

Per gli studi sperimentali, irregolare Ti-6Al-4V polvere con una dimensione media di 50-150 µm e densità apparente di 1,85 g/cm3 è stata impiegata come materiale che depositano (Figura 1). L'analisi chimica della polvere ha confermato che il contenuto di ossigeno e azoto della polvere non cambia prima e dopo il processo di deposizione, mentre in entrambi i casi il contenuto di ossigeno era più alto rispetto al contenuto di ossigeno standard di Ti-6Al-4V polvere per produzione additiva (< 0,13%). Tuttavia, il contenuto di ossigeno e azoto dei componenti alla rinfusa aumentato dopo la deposizione.

Figure 1
Figura 1: a partire di Ti-6Al-4V polvere viene utilizzato come deposito materiale. Si tratta di una polvere irregolare con una dimensione media di 100-150 µm e densità apparente di 1,85 g/cm3.

C S Al Fe H N O V Ti
Neve fresca 0,017 < 0,001 5,83 0.08 0,013 0,022 0.23 3,89 Bal.
Usato in polvere 0,016 < 0,001 5,86 0.08 0,012 0,02 0.22 3,87 Bal.
Componente di massa 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.

Tabella 1: composizione chimica di Ti-6Al-4V polvere prima e dopo la deposizione (percentuale). Essa mostra che il contenuto di ossigeno e azoto della polvere non cambia prima e dopo il processo di deposizione, mentre in entrambi i casi il contenuto di ossigeno è superiore rispetto al contenuto di ossigeno standard di Ti-6Al-4V in polvere per la produzione additiva.

Figura 2 sono illustrate le singole tracce di Ti-6Al-4V lega dopo deposizione alle varie potenza laser e laser velocità di scansione. Come si può vedere la potenza del laser e riducendo la velocità di scansione laser, la dimensione delle singole tracce è aumentato.

Figure 2
Figura 2: singole tracce della lega Ti-6Al-4V dopo deposizione. Queste singole tracce sono state depositate al potere differente del laser e la velocità di scansione laser e analizzate dall'alto. Aumentando la potenza del laser e diminuendo il laser velocità, loro dimensioni aumentati di scansione.

La figura 3 Mostra la sezione trasversale di singole tracce dopo la deposizione, e aumentando la potenza del laser, l'altezza delle singole tracce è aumentato considerevolmente. Inoltre, diminuendo la velocità di scansione laser con una potenza laser costante, l'altezza della deposizione aumentato mentre, a laser a bassa potenza e velocità di scansione laser molto alto, l'altezza della deposizione era trascurabile. Nonostante l'altezza della piscina della fusione, la formazione di porosità all'interno della piscina di fusione, in particolare vicino all'interfaccia di zona zona piscina/fusione di fusione, era un altro fenomeno che è stato rivelato dopo la deposizione.

Figure 3
Figura 3: sezione trasversale di singole tracce dopo la deposizione. Aumentando la potenza del laser e diminuendo la velocità di scansione laser, ha fatto diminuire l'altezza della piscina si fondono. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Il rapporto tra l'altezza singola traccia e il parametro di processo diverso è illustrato nella Figura 4. L'altezza di singoli brani a velocità di scansione laser diversi aumentata aumentando la potenza del laser, che suggerisce che la potenza del laser fino a un certo punto ha un effetto positivo sull'altezza di deposizione (Figura 4a). Tuttavia, dopo quel punto critico, la potenza del laser colpisce negativamente la crescita di deposizione a causa della consegna di troppa energia in piscina si fondono. Inoltre, è stato trovato che come il laser aumentata la velocità di scansione, l'assorbimento di energia nel pool di fusione è stato ridotto e indirettamente è stato diminuito il tasso di consegna di polvere, e di conseguenza l'altezza depositato diminuito notevolmente (Figura 4b).

Figure 4
Figura 4: effetto dei parametri di processo diverse sulla dimensione singola traccia. È chiaro che come la velocità di scansione laser aumentata (b), l'assorbimento di energia nel pool di fusione è ridotto e la polvere consegna tasso (a) è ridotto indirettamente e, di conseguenza, l'altezza depositato diminuito notevolmente. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Questi risultati dimostrano chiaramente l'influenza dei parametri di processo differenti sulla geometria delle tracce depositate. Nonostante fornendo informazioni preziose nel processo, la valutazione dell'altezza depositato è ancora difficile, a causa della varietà di parametri che sono stati coinvolti. Così, alcune iniziative sono state intraprese per sviluppare una nuova strategia per valutare l'effetto della combinazione di parametri di processo sulla geometria della pista depositato.

Come è stato dimostrato, l'altezza di strato depositato aumenta aumentando la potenza del laser, e si è capito che questo non era l'unico parametro che interessa l'altezza della piscina fusione. Infatti, nel periodo di tempo necessario per sciogliere un determinato volume di substrato e depositare un livello appropriato di materiale fuso, una certa quantità di energia e polvere dovrebbe essere fornita al substrato. Questa energia non è solo determinata dalla potenza del laser e la velocità di scansione laser, ma anche la dimensione dello spot laser dovrebbe essere considerata. Per questo scopo, la densità di energia specifica per unità formato di punto (E) e polvere feed densità (F) è calcolata per valutare l'effetto della combinazione di questi parametri.

E, che è la densità di energia specifica, Mostra l'energia che viene consegnato in piscina si fondono con il laser e in linea di principio è responsabile per la fusione del substrato e la polvere. Questa densità di energia è espressa come8

Equation 2(1)

Dove E è la densità di energia specifica dimensioni spot dell'unità, P è la potenza del laser (W), v è la velocità di scansione laser (mm/s), e D è la dimensione dello spot laser (mm). Per ottenere un livello di deposizione appropriato per ogni materiale metallico, c'è un certo livello di energia di sotto di cui non possono essere raggiunto legami di fusione, e di là che la diluizione diventa troppo grande. Un altro fattore che mostra l'effetto della combinazione di parametri è la densità di polvere (F), che può essere calcolato come segue8

Equation 3(2)

Qui, F è la polvere di densità di alimentazione, e G è la polvere di tasso (g/s).

La figura 5 Mostra la variazione di altezza strato depositato in funzione della densità di energia specifica. Come si può vedere, l'altezza delle singole tracce aumentata aumentando la densità specifica di energia, che può essere collegata con l'ingresso di calore superiore a maggiore densità di energia di laser. La correlazione empirica tra la densità di energia e l'altezza di deposizione sono come segue:

h = 14.99 E – 17,85 (3)

Da questa equazione, l'altezza della traccia depositato può essere stimato attraverso il calcolo della densità specifica di energia e questa equazione. D'altra parte, la variazione di altezza depositato in funzione della densità di polvere, che è illustrata nella Figura 6, ha mostrato che aumentando la densità di polvere, aumentata l'altezza della traccia depositato, e la relazione empirica tra questi possa essere espresso come segue:

h = 38477 F – 157.06 (4)

Questa equazione mostra che l'altezza della traccia depositato può essere calcolato calcolando la densità di polvere e questa equazione. EQ. 3 e 4 EQ. dimostrano che utilizzando la combinazione dei parametri di processo e calcolo della densità specifica di energia e densità di polvere, è possibile fare previsioni l'altezza depositato e di conseguenza trovare il dominio migliore per ottenere la migliore qualità di deposizione.

Figure 5
Figura 5: singola traccia altezza (h) contro la densità specifica di energia (E). L'altezza delle singole tracce aumentata aumentando la densità specifica di energia, che può essere collegata con l'apporto di calore superiore a maggiore densità di energia di laser. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 6
Figura 6: singola traccia altezza (h) come una funzione di polvere feed densità (F). Aumentando la densità di alimentazione di polvere, è aumentata l'altezza della traccia depositato. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Nella deposizione di energia diretta dei materiali metallici, h (altezza strato o ΔZ) è un fattore molto importante che incide sulla qualità del componente dopo la deposizione. La deposizione di energia convenzionale diretta di componenti metallici, l'altezza dello strato di deposizione è considerato una costante e, a parte la geometria del componente e il suo materiale, i parametri di processo tale potenza del laser e la velocità di scansione laser sono stati ottimizzato per fabbricare il componente finale. Infatti, affettare gli strati di spessore costante non è solitamente conforme ai parametri di processo. Di conseguenza, questo spessore può essere modificato manualmente o empiricamente, che sacrifica la qualità del componente e il tasso di fabbricazione. In generale, in strato convenzionale affettare, sopra o sotto deposition può essere ottenuto a causa le approssimazioni nella considerazione dello spessore di strato, che ha bisogno di ulteriori correzioni come successiva deposizione o lavorazione gli strati supplementari (Figura 7a ). Così, in questo lavoro, sforzo è impegnato a sviluppare una nuova strategia per determinare lo spessore di strato, secondo le condizioni di processo che vengono utilizzate nella produzione di componenti.

Figure 7
Figura 7: affettare. (a) strategia d'affettatura convenzionale, (b) nuovo affettare strategia secondo i parametri di processo ottimale; in convenzionale strato affettare, sopra o sotto deposition può essere ottenuto a causa le approssimazioni nella considerazione dello spessore di strato, che ha bisogno di ulteriori correzioni, ad esempio successiva deposizione o gli strati supplementari di lavorazione. In questo approccio, lo spessore dello strato per la fabbricazione del componente è determinata secondo un altezza di monostrato relazionato con la densità specifica di energia dei due parametri combinati. E è la densità di energia specifica dimensioni spot dell'unità, F è la polvere di densità di alimentazione, tdep è lo spessore del singolo strato estrato di t è lo spessore della fetta.

Infatti, in questo approccio, lo spessore dello strato per la fabbricazione del componente è determinata secondo un altezza di monostrato relazionato con la densità specifica di energia dei due parametri combinati. Per questo metodo di prova e verificare la correlazione tra la qualità del componente e spessore diversi, alcune semplici cubi sono stati costruiti in varie ΔZ e poi loro sezioni trasversali sono stati valutati.

Figura 8a -b Visualizza le sezioni rappresentative dei multistrato-blocchi, che sono state prodotte secondo il metodo convenzionale. Come si può vedere nella tabella 2, secondo la strategia per affettare che considera 0,325 mm come lo spessore dello strato, l'altezza desiderata del blocco mostrato in Figura 8a dovrebbe essere circa 5,2 mm. Nel metodo convenzionale, tuttavia, è stato raggiunto l'altezza finale del 10,11 mm (eccessiva deposizione), che è una conseguenza di considerare un alto ΔZ (0,6 mm) durante il processo. Questo processo di deposizione eccessiva ha provocato la mancanza di fusione tra i livelli e un alto livello di porosità all'interno del campione. D'altra parte, figura 8b illustra che considerando un basso ΔZ, non può essere raggiunto l'altezza desiderata, e ciò si traduce in un processo di deposizione lunga e microstruttura indesiderabile. Queste discrepanze implicano che nel metodo convenzionale, affettare gli strati in uno spessore fisso non è solitamente conforme ai parametri di processo, e quindi non può essere raggiunto lo spessore desiderato. Una sezione trasversale del blocco, che è stato prodotto secondo la strategia per affettare, è illustrata nella Figura 9. Come può essere visto attraverso considerando un adeguato ΔZ, potrebbe essere possibile ottenere eccellente stabilità dimensionale. Tuttavia, la precisione dimensionale può essere ridotta a un livello elevato di potere del laser in conseguenza ad alta energia in ingresso, che provoca la fusione del livello sottostante. La tabella 2 Mostra che utilizzando il metodo d'affettatura, una più stabile posizione piscina di fusione può essere raggiunto, e di conseguenza aumenta la precisione dimensionale. La figura 9 Mostra un blocco che è prodotta secondo l'approccio per affettare, e come si può vedere utilizzando un appropriato ΔZ (~ 0.5 mm) è stata ottenuta l'altezza desiderata della deposizione.

Figure 8
Figura 8: esempi di campioni di prodotto secondo il metodo convenzionale. Secondo la strategia per affettare che considera 0,325 mm come lo spessore dello strato, l'altezza desiderata del blocco che viene mostrato nel pannello un dovrebbe essere circa 5,2 mm. Nel metodo convenzionale, tuttavia, è stato raggiunto l'altezza finale del 10,11 mm (eccessiva deposizione), che è una conseguenza di considerare un alto ΔZ (0,6 mm) durante il processo. D'altra parte, pannello b illustra che considerando un basso ΔZ, altezza desiderata non può essere raggiunto e si traduce in un processo di deposizione lunga e microstruttura indesiderabile. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 9
Figura 9: esempio di un campione fabbricato dall'approccio affettare. Conferma che una considerazione adeguata ΔZ si traduce in un'eccellente stabilità dimensionale.

Laser di potenza (W) Spessore dello strato (mm) Numero di strati Altezza desiderata (mm) Depositato altezza (mm)
Metodo convenzionale 350 0.325 16 5,206 10,114
1500 0.758 8 6,07 3.425
Metodo per affettare 325 0,485 5 7.436 7.245

Tabella 2: confronto tra l'altezza depositato e l'altezza desiderata nei metodi convenzionali e affettare. Dimostra che utilizzando il metodo d'affettatura, una più stabile posizione piscina di fusione può essere raggiunto e, di conseguenza, aumenta la precisione dimensionale.

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Discussion

In questo lavoro, il fuoco era l'impostazione di spessore affettare nel processo di DED di Ti-6Al-4V, secondo la geometria delle caratteristiche piscina si fondono. Per questo scopo, un protocollo in due fasi è stato definito e utilizzato. La prima parte del protocollo era un'ottimizzazione dei parametri di processo per la deposizione di singola scansione e, durante questa fase, sono stati raggiunti i parametri ottimali e le geometrie di piscina di fusione sono state misurate. Nella seconda parte del protocollo, è stata calcolata la densità specifica di energia degli esemplari presso i parametri ottimali. In questo passaggio, l'altezza della piscina della fusione era tracciata come una funzione di densità di energia e, in questa fase critica, lo spessore dello strato per la deposizione multistrata può essere realizzato.

In DED, poiché vari parametri di processo alterano lo spessore degli strati, la deposizione di strati con uno spessore costante non può comportare una precisa geometria del componente. Vuol dire che considerando uno strato fisso spessore per deposizione, indipendentemente dai parametri di processo, conduce a sotto - o sovra - deposition che si traduce in errore geometrico e, di conseguenza, un lungo processo produttivo. Lo scopo di questa ricerca era di esplorare il rapporto tra il procedimento di regolazione spessore taglio, l'altezza effettiva depositato e le condizioni di processo. Si è concluso che attraverso la combinazione della geometria dei parametri di piscina e processo di fusione, sarebbe possibile determinare lo spessore di strato ottimale associato ai parametri di processo specifico in un breve periodo di tempo rispetto alla metodi tradizionali.

La strategia per affettare utilizza le equazioni che ottenere l'altezza di monostrato relazionato con la densità specifica di energia. Il componente finale viene tagliato in base all'altezza del singolo strato per una condizione specifica che depositano. Al fine di verificare il metodo suggerito, alcuni blocchi sono state prodotte secondo l'approccio per affettare. I risultati di questa ricerca hanno dimostrato che utilizzando questo protocollo, è possibile determinare lo spessore di strato, che è uno dei principali parametri che dovrebbero essere considerati correttamente per costruire un componente con dimensioni precise. L'unica limitazione di questo protocollo che può essere considerato è la dipendenza dei risultati sul tipo di materiale, e così questo protocollo dovrebbe essere intrapresa per ogni tipo di materiale. Inoltre, per aumentare la precisione dell'impostazione di spessore di strato, la larghezza della piscina della fusione può anche essere considerata nel protocollo. Il passo più importante nel protocollo è la misura della geometria piscina si fondono così che qualsiasi errore, anche piccoli errori, in questo passaggio possono provocare un errore significativo nell'impostazione dello spessore di strato.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Acknowledgments

Gli autori si desidera ringraziare il progetto di ricerca europeo appartiene al programma di ricerca e innovazione Orizzonte 2020 Borealis - classe 3A macchina flessibile per il nuovo additivo e sottrattivo di produzione sulla prossima generazione di complessi 3D parti metalliche

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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