Ti-6Al-4V tabakası kalınlığı çok katmanlı ifade vermek için gitmek belirlemek için yönlendirilmiş enerji birikimi tarafından tek parça imalatı

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

Bu araştırmada, hızlı bir yöntem eritebilir havuzu karakterizasyonu dayalı yönlendirilmiş enerji birikimi tarafından üretilen Ti-6Al-4V bileşenleri katman kalınlığı tahmin etmek için geliştirilmiştir.

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

Yönetmen enerji birikimi (DED), bir katkı imalat tekniği olan nerede metal toz parçacıkları enjekte edilir bir lazer ışını erimiş havuzuyla oluşturulmasını içerir. Genel olarak, bu teknik imal veya farklı bileşenlerini onar için istihdam edilmektedir. Bu teknikte, son özellikleri birçok faktör tarafından etkilenir. Nitekim, bileşenleri tarafından DED binada ana görevleri genellikle kapsamlı bir deneysel soruşturma yürütülen işlem parametreleri (örneğin, lazer güç lazer, odak, hız vb) getirilmesi olduğunu. Ancak, bu çeşit deney son derece uzun ve pahalı. Böylece, en iyi duruma getirme işlemini hızlandırmak için soruşturma eritebilir havuzu karakterizasyonu dayalı bir yöntem geliştirmek için yapılmıştır. Aslında, bu deneylerin lazer güç ve lazer hız Çoklu kombinasyonları ile DED işlem tarafından Ti-6Al-4V tek parça yatırılır. Yüzey morfolojisi ve tek parça boyutlarında analiz edildi ve erime havuzları geometrik özellikleri parlatma ve Matlaştırma kesit sonra değerlendirildi. En iyi işlem parametrelerinin seçimi ile ilgili bilgi yararlı eritebilir havuzu özelliklerini inceleyerek elde edilebilir. Bu deneyler büyük bloklar birden çok katman ile karakterize etmek için genişletilmiş. Nitekim, bu el yazması ne kadar hızlı bir şekilde büyük biriktirme katman kalınlığını belirlemek mümkün olacağını ve üzerinden önlemek veya altında birikimi optimum parametreleri göre hesaplanan enerji yoğunluğu açıklar. Fazla veya eksik ifade dışında zaman ve malzeme tasarrufu bu yaklaşım içinde çok katmanlı bileşenleri birikimi olmadan herhangi bir parametre optimizasyon açısından kalınlığı başlatılabilir diğer büyük avantajı vardır.

Introduction

En sık Havacılık, uçak, otomotiv, Ti alaşımlı ve Biyomedikal sanayi, yüksek güç-ağırlık oranı, mükemmel kırık tokluk, düşük özgül ağırlık, mükemmel korozyon direnci ve ısı nedeniyle kullanılan ti-6Al-4V olduğunu arıtılabilirlik. Ancak, onun gelişme diğer uygulamalarda zorlu, düşük ısı iletkenlik ve yüksek reaktivite özellikler sayesinde, hangi içinde onun zavallı makine performansı neden. Ayrıca, kesim sırasında olayları sertleştirme ısı nedeniyle üstlenmiş1,2,3,4özel ısıl olmalı.

Yine de, katkı (AM) teknolojileri üretim fiyat ve enerji tüketimini azaltmak ve bazı Ti-6Al-4V alaşım imalat mevcut sorunları adresi yeni üretim teknikleri olarak kullanılmak üzere büyük potansiyel gösterdi.

Katkı üretim teknikleri yenilikçi olarak bilinir ve çevre net şekle imal bir katman katman moda bileşen. Bilgisayar destekli tasarım (CAD) modeli ince tabakalar dilimler ve daha sonra bileşen katman katman oluşturur, bir katman katman katkı üretim yaklaşımı tüm AM yöntemleri için esastır. Genel olarak, dört farklı işlemleri halinde katkı metalik malzemeleri imalatı ayrılabilir: toz yatak, toz (şişmiş toz) yem, yem tel ve diğer yolları3,5,6.

Enerji birikimi (DED) katkı imalat sınıfıdır ve üç boyutlu (3D) fabricates bir gaz toz süreç net şekli sağlam parçalar diğer AM yöntemlerine benzer bir CAD dosyasından yakınındaki yönetti. Diğer teknikleri, aksine DED yalnızca bir üretim yöntemi olarak kullanılabilir değil ama aynı zamanda yüksek değer parçalar için bir tamir teknik olarak istihdam edilebilir. DED işleminde Metalik toz veya tel malzeme taşıyıcı gaz tarafından beslenir veya lazer tarafından oluşturulur erime havuza motorlar ikisinden biri üstünde belgili tanımlık substrate ışınla veya daha önce katmanı yatırılır. Satın fly oranı azalan yeteneğine sahiptir ve aynı zamanda daha önce yerine prohibitively pahalıydı değeri yüksek parçalar veya onarılamaz7onarma yeteneğine sahiptir umut verici bir gelişmiş üretim süreci DED işlemidir.

İstenen geometrik boyutları ve malzeme özelliklerini elde etmek için uygun parametrelerle8kurmak için hayati önem taşımaktadır. Çeşitli çalışmalarda işlem parametrelerini ve yatırılan örnek son özellikleri arasındaki ilişkiyi aydınlatmak üstlenmiştir. Peyre vd. 9 farklı işlem parametreleri ile bazı ince duvarlar inşa ve sonra onları 2D ve 3D profilometrisi kullanarak ile karakterizedir. Gösterdiler tabakası kalınlığı ve erime havuzu birim pürüzlülük parametreleri belirgin şekilde etkiler. Vim ve ark. 10 işlem parametreler ve bir tek kaplama katmanı (kaplı yükseklik, kaplı genişlik ve derinlik penetrasyon) geometrik özellikleri arasındaki ilişkiyi analiz için bir model önerdi.

Bugüne kadar birçok araştırma TI DED alaşımları bildirilmiştir, en bunların parametrelerinin birleşiminin etkisi büyük örnekleri11,12,4özellikleri üzerinde duruldu. Rasheedat ve ark. Lazer metal yatırılan Ti-6Al-4V alaşım elde edilen özelliklerini inceden inceye gözden geçirmek hız ve toz debisi etkisi okudu. Toz ve tarama hızını artırarak akış hızı mikroyapıda Widmanstätten yüzey pürüzlülüğü bir artışı ve yatırılan numuneler7Mikrosertlik sonuçları bir martensitik Mikroyapı değiştirildi olduğunu buldular. Yine de, daha az dikkat katman kalınlığı ayarını tasarımı için ödendi. Choi ve ark. Katman kalınlığı ve işlem parametreleri arasındaki ilişkiyi araştırdı. Onlar hata mevcut yüksekliği ile gerçek yüksekliği arasındaki ana kaynakları toz kitle akış oranı ve katman kalınlığı13ayarlama olduğunu bulmuşlardır. Katman kalınlığı ortamda uzun ve hatalı işlemleri dahil, kendi çalışmaları katman kalınlığı ayarını uygulamak değil düzgün. Ruan ve ark. Lazer tarama hızı sabit lazer güç ve toz oranı14besleme yatırılan katman yüksekliği üzerinde etkisini araştırdı. Belirli işleme koşulları altında elde edilmiştir katman kalınlığı ayarı için ampirik bazı modelleri teklif etmiş ve böylece katman kalınlığı ayarını belirli işlem parametreleri15kullanımı nedeniyle kesin olmayabilir. Önceki işleri aksine, bu el yazması önerilen işlemi ayarlama katmanı kalınlığı zaman ve malzeme kaybetmeden gerçekleştirilebilecek hızlı bir yöntemdir.

Bu çalışmanın ana odak optimum DED işlem parametreleri, Ti-6Al-4V alaşım tek parça özelliklerine dayanarak kalınlığı belirlenmesi için hızlı bir yöntem geliştirmektir. Bundan sonra en uygun işlem parametreleri bir katman kalınlığı belirlemek ve yüksek yoğunluklu Ti-6Al-4V blok israf zaman ve malzeme olmadan imal için istihdam edilmektedir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. toz karakterizasyonu

  1. Bir alüminyum PIN saplama üzerinde bulunan ve içinde numune odası, bir alan emisyon Taramalı elektron mikroskobu (Morfoloji toz16analiz etmek için FESEM) eklemek bir çift taraflı yapışkan karbon teyp üzerindeki Ti-6Al-4V tozlar başlayan 3 g koymak.
  2. 30 cm3 konteyner doldurarak toz belirgin yoğunluğunu ölçmek ve toz ASTM B212 standardına göre ağırlığını ölçmek.
  3. Kullanılan toz (5-10 g), toz (5-10 g) ve birleştiğinde yatırılan blok (20 g) elemental (örneğin, Leco) aracılığıyla ve İndüktif plazma (ICP) Çözümleyicisi17başlayan kimyasal çözümlemesi gerçekleştirin.

2. yönlendirilmiş enerji birikimi tek parça

  1. Toz yükleme
    1. Bir FFP3 solunum maskesi gereksinimlerine EN 149, pudra içermeyen tek kullanımlık nitril eldiven ve koruyucu plastik gözlük için de dahil olmak üzere kişisel koruyucu ekipman giymek.
    2. Besleme sistemi toz hazne açın ve bir aspiratör fan (örneğin, ATEX) kalan toz kaldırmak için kullanın.
    3. Hazne Oluşturucu tarafından verilen uygun yönergeleri izleyerek çıkarın ve her bileşen etanol batırılmış kağıt havlu kullanarak temizleyin.
      Not: Bu çeşit parçacýklarýn bulunduðu alanlar sayýlabilir kirlenmesini önlemek için temel adımdır.
    4. Hopper Oluşturucu tarafından verilen talimatları izleyerek besleme toz yeniden monte. Bir kenara sadece üst kapağı, hopper toz yükleme gerçekleştirmek için bırakın.
    5. Hazne granülometresi aralığı 50-150 µm. kullanılabilir hopper büyüklüğüne bağlı olarak sahip Ti-6Al-4V tozlar yükleyin, eksiksiz doldurunuz.
    6. Hazne üst kapağı çok sıkı bir şekilde herhangi bir gaz kaçağı önlemek için kapatın.
  2. Örnek hazırlanması
    1. 50 x 50 mm boyutları ve 4 mm kalınlığında bir Ti-6Al-4V sayfası seç.
    2. Etanol bulanmış kağıt havlu ile titanyum levha yüzeyini temizlemek. Kağıdın ağırlığı ile centesimal bir denge ölçmek.
    3. Yer işaretleyicisinin konumunu göre çalışma alanı sayfasında. Yani bu robot programlanmış yol göre belirlenir nerede ifade, gerçekleşecek çalışma alanıdır.
  3. Robot ve hazırlık ifade ekipman hazırlanması
    1. Meme meme ekseni ve lazer eksen arasındaki açı 35 ° olduğunu lazer kafasına bağlarsınız.
    2. Robot kalibrasyon gerçekleştirmek için başlangıç çalışma noktaya taşıyın.
    3. Meme ve çalışma uçak arasındaki mesafe denetleyip, ölçülen mesafe 5 mm kadar gerekirse, el ile meme konumunu düzeltin.
      Not: bu yana çalışma alanı yatay bir düzlem üzerinde bırakır, bu sac ve meme ucu arasındaki dikey mesafe mesafedir.
    4. Meme çıkış lazer ile merkezleme kontrol: önce bir rehber lazer lazer control yazılımı "Lazer Kılavuzu ON" komutunu tıklatarak geçin. Daha sonra 0.8 mm jant çapında ve 200 mm uzunluğunda, meme içinde ölçüm ince bir çubuk koyun. Çubuk ucu ve nokta lazer kılavuzun çakışık olduğunu doğrulayın. Eğer değilse, el ile mesafeler ve daha önce belirtilen açıları saygı meme, konumunu ayarlamak.
      Not: Bu durumda, meme dış çapı 1 mm olan; daha küçük çaplı bir meme istihdam, kimin çapı meme bundan daha küçük bir çubuk kullanın.
    5. Robot kontrol yazılımı yazılmış kalibrasyon verileri doğrulayın: yazılım "Uygula" butonuna tıklayın ve kod derleme için bekleyin.
      Not: Yazılım kod hatalarını kontrol eder; herhangi bir hata algılanırsa, kod robot denetleyicisinde saklanır. Hatalar algılanırsa, kodun derlenmiş olmayacak ve daha fazla gözden geçirme gerekecektir.
    6. Lazer kaynak modül lazer kontrol yazılımı "Lazer etkinleştir" komutunu tıklatarak etkinleştirin.
      Not: 5 kW maksimum güç ile kızılötesi bölgesi (1064 nm) yayan bir sürekli fiber lazer istihdam lazer kaynağıdır.
    7. Robotun motorlar el ile "Üzerinde Robot motorlar", robot kontrol kabinine üzerinde butona basarak etkinleştirmek ve ilgili güvenlik LED yaktı kontrol edin: Eğer Yani, bu motorlar etkin anlamına gelir.
  4. Biriktirme işlemini başlatmak
    1. Varolan program listesinde uygun dosyayı seçin ve çalışma yolunu ana robot rutin içine yükleyin.
    2. Lazer ve robot parametrelerini kontrol edin: lazer güç belirli lazer güç (325, 650, 980, 1500 W) ve belirli bir hız robot hıza ayarlayın (30, 40, 50, 60 mm/s).
      Not: Bu parametreler göre belirli bir dil makinenin robot kontrol yazılımı yazılır.
    3. Yeni parametreleri software "Uygula" düğmesine basarak onaylayın ve kodun derlenmesi için bekleyin. Yazılım kod hatalarını kontrol eder; herhangi bir hata algılanırsa, kod robot denetleyicisinde saklanır ve var olmak denize indirmek hazır. Robot rutin robot kontrol yazılımı üzerinde "Başlat" düğmesine basarak Başlat.
  5. Özel nipper kullanarak örnek almak ve herhangi bir kalıntı toz kaldırmak için bir etanol bulanmış kağıt havlu ile örnek yüzeyi temizleyin.

3. analiz tek parça

  1. Üstten tek parça stereo mikroskop vasıl 5 X büyütme tarafından analiz.
    Not: Bu aşamada, bazı görüntülerin stereo mikroskop aracılığıyla alınır ve görsel olarak analiz.
  2. Tek parça yatırılan parça orta ifade yönüne dik hassas kesici bir alet kullanarak kesmek.
  3. Kesiti epoksi reçine tek parça monte. Bir montaj Kupası seçin ve temiz ve kuru numune yerleştirin. Reçine doğru miktarda ağırlık (10 g/örnek) tarafından dikkatle ölçün ve sıvı bir sertleştirici (6 g/örnek) ile karıştırın. Numune reçine karışımı dökün ve oda sıcaklığında 30 dakika tedavi için dolgulu montaj su bardağı bırak. Bundan sonra 500, 800 ve 1200 grit boyutu SIC kağıt takılı numuneler bilenmesi ve elmas Yapıştır aşağı elmas partikülleri (1 µm) ince boyutları kullanarak Lehçe.
  4. Parlatılmış yüzeyler şekli ve porozite açısından bir optik mikroskobu aracılığıyla analiz. 10 X büyütme, optik mikroskop ile melt havuzları görüntülerini almak ve sonra onları analiz görüntü-J yazılım kullanarak.
  5. Erime havuzu alt ve üst arasındaki mesafeyi ölçerek eritebilir havuzları yüksekliğini ölçmek. Daha sonra erimiş havuzları ölçülen yüksekliği belirli enerji yoğunluğu, karşılık gelen denklemi göre hesaplanan bir fonksiyonu olarak çiz. Gerçekten de, enerji yoğunluğu aşağıda ki formül ile hesaplanabilir:
    Equation 1
  6. 2nd sipariş polinom belirli enerji yoğunluğu bir fonksiyonu olarak katman kalınlığı karşılık gelen denklem elde etmek için deneysel sonuçlarına uygun.
  7. Belirli bir enerji yoğunluğu dikkate ve önceki adımda gözlendi ilişkilerine göre katman kalınlığı hesaplamak.
  8. Yöntem doğrulamak için çok katmanlı bir blok hesaplanan tabakası kalınlığı göz önüne alınarak imal ve blok porozite ve son yükseklik açısından bölümünü karakterize.
  9. Parlatma bir adım sonrası, yordamın aynısını Bölüm 3.3 olarak fabrikasyon blok Mikroyapı analiz. Aslında, final parlatma sonra örnekleri için 30 etch 92 mL distile su, 6 mL nitrik asit ve 2 mL hidroflorik asit içeren Kroll'ın reaktif bir iyimsersin.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Deneysel çalışmalar, düzensiz Ti-6Al-4V toz 1.85 g/cm3 belirgin yoğunluğu ve 50-150 µm ortalama büyüklüğü ile yatırma malzemesi (şekil 1) olarak istihdam edildi. Her iki durumda da oksijen içeriği Ti-6Al-4V toz için standart oksijen içeriği daha yüksek iken toz oksijen ve azot içeriği ifade işleminden önce ve sonra değişmedi toz kimyasal analizi doğruladı katkı imalat (< %0,13). Ancak, toplu bileşeninin oksijen ve azot içeriğini ifade sonra arttı.

Figure 1
Şekil 1: Ti-6Al-4V toz başlayan malzeme yatırma olarak kullanılır. Bu belirgin 1.85 g/cm3yoğunluğu ve 100-150 µm ortalama büyüklüğü ile düzensiz bir tozdur.

C S Al Fe H N EY V Ti
Taze kar 0.017 < 0,001 5,83 0,08 0,013 0.022 0,23 3.89 Bal.
Kullanılan toz 0.016 < 0,001 5,86 0,08 0.012 0,02 0,22 3.87 Bal.
Toplu bileşen 0.021 0,001 5,78 0,08 0.012 0.058 0,28 3.8 Bal.
Standart < 0,08 -- 5.5-6.5 < 0,25 < 0.012 < 0,05 < 0,13 3.5-4.5 Bal.

Tablo 1: önce ve sonra ifade (ağırlık yüzdesi) Ti-6Al-4V toz kimyasal kompozisyon. Her iki durumda da oksijen içeriği Ti-6Al-4V toz katkı üretim için standart oksijen içeriği daha yüksek ise toz oksijen ve azot içeriği ifade işleminden önce ve sonra değiştirmemenizi gösterir.

Şekil 2 gösterir ifade çeşitli lazer güç ve lazer sonra Ti-6Al-4V tek parça alaşım hız tarayın. Lazer güç artan ve azalan lazer tarama hızı arttı tek parça boyutu görüldüğü gibi.

Figure 2
Şekil 2: tek parça Ti-6Al-4V alaşım ifade sonra. Bu tek parça lazer tarama hızlı ve farklı lazer güç yatırılır ve en baştan analiz edildi. Lazer güç artan ve azalan lazer hız, kendi boyutları artış inceden inceye gözden geçirmek.

Şekil 3 tek parça kesiti sonra ifade gösterir ve lazer güç artırarak, tek parça yüksekliğini önemli ölçüde arttı. Ayrıca, düşük lazer güç ve çok yüksek lazer inceden inceye gözden geçirmek hız, yükseklik yükünün önemsiz iken, sürekli lazer güç lazer tarama hızını azaltarak, yükünün yüksekliği arttı. Eritebilir havuzu yüksekliğini rağmen gözeneklilik oluşumu eritebilir havuzun içinde eritebilir havuzu/füzyon bölgesi alanı arabirimi özellikle ifade sonra ortaya çıktı başka bir olay oldu.

Figure 3
Şekil 3: yeminli ifade sonra tek parça kesiti. Lazer gücü artan ve azalan lazer tarama hızı, erime havuzu yüksekliğini azalmıştır. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Tek parça yüksekliği ile farklı işlem parametre arasındaki ilişki şekil 4' te gösterilmiştir. Lazer güç kadar belirli bir noktaya ifade Yükseklik (şekil 4a) üzerinde olumlu bir etkisi göstermektedir lazer güç artırarak arttı farklı lazer tarama hızlarda tek parça yüksekliği. Ancak, bu kritik nokta sonra lazer güç birikimi teslim nedeniyle çok fazla enerji eritebilir havuza büyüme olumsuz yönde etkiler. Ayrıca, lazer tarama hızı arttı, erime havuzunda enerji girişi azaldı ve toz teslimat hızı dolaylı olarak azalmış ve sonuç olarak yatırılan yükseklik azalma dikkat çekici bulundu (şekil 4b).

Figure 4
Şekil 4: tek parça boyut farklı işlem parametreleri etkisi. Bu lazer tarama hızı olarak artan (b), erime havuzunda enerji girişi azalır ve toz teslimat oranı (a) dolaylı olarak azalır ve sonuç olarak, yatırılan yükseklik oldukça azalmış, açıktır. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Bu sonuçlar açıkça farklı işlem parametreleri etkisi yatırılan parça geometrisini gösteriyor. Süreci içine değerli bilgiler sağlayan rağmen yatırılan yükseklik değerlendirilmesi hala, bu işe parametreleri çeşitli nedeniyle meydan okuyor. Böylece, bazı çabalar yatırılan parça geometrisini işlem parametrelerinin birleşiminin etkisini değerlendirmek için yeni bir strateji geliştirmek için üstlenmiş oldu.

Gösterildiği gibi lazer güç artırarak yatırılan katman yüksekliğini artmış ve bu erime havuzu yüksekliğini etkiler tek parametre değildi anlaşılmıştır. Aslında, substrat belirli bir hacim eritmek ve erimiş malzeme uygun bir tabakanın mevduat için gerekli zaman aralığında belirli bir miktar enerji ve toz için yüzey sağlanmalıdır. Bu enerjiyi sadece lazer güç ve lazer inceden inceye gözden geçirmek hız tarafından belirlenir değildir ama lazer nokta boyutu da düşünülmelidir. Bu amaçla, bu parametreler birleşimi etkisini değerlendirmek için belirli enerji yoğunluğu birimi nokta boyutu (E) ve toz yoğunluğu (F) yem başına hesaplanır.

E, belirli enerji yoğunluğu olan erime havuza lazer ve ilke olarak teslim edilen enerji yüzey ve toz eritme için sorumlu olduğunu gösterir. Bu enerji yoğunluğu8 olarak ifade edilir

Equation 2(1)

E birimi nokta boyutu başına belirli enerji yoğunluğu, P lazer güç nerede (W), v lazer tarama hızı (mm/s) ve D lazer nokta boyutu (mm). Metalik her malzeme için uygun ifade düzeyini elde etmek için orada belirli bir düzeyde enerji altında hiçbir füzyon tahvilleri elde edilebilir, ve bunun ötesinde seyreltme çok büyük olur. Olabilir toz yoğunluğu (F), aşağıdaki gibi8 hesaplanan parametrelerinin birleşiminin etkisini gösterir başka bir faktör olduğunu

Equation 3(2)

Burada, F yoğunluğu yem toz ve G hızı (g/sn) besleme tozdur.

Şekil 5 yatırılan katman yüksekliği varyasyon belirli enerji yoğunluğu bir fonksiyonu olarak gösterir. Görüldüğü gibi tek parça yüksekliği artan yüksek lazer enerji yoğunluğu, yüksek ısı girdisine ilgili belirli enerji yoğunluğu artırarak. Enerji yoğunluğu ve yükünün yüksekliği arasında ampirik korelasyon vardır:

h = 14,99 E – 17,85 (3)

Bu denklemden yatırılan parça yüksekliğini belirli enerji yoğunluğu ve bu denklem hesaplamayı tahmin edilebilir. Öte yandan, yatırılan yükseklik değişimi şekil 6' da gösterilen, toz yoğunluğu bir fonksiyonu olarak toz yoğunluğu artırarak, yatırılan parça yüksekliği arttı ve bunlar arasında ampirik ilişki olabilir gösterdi aşağıdaki gibi ifade:

h = 38477 F-157.06 (4)

Bu denklem yatırılan parça yüksekliğini toz yoğunluğu ve bu denklem hesaplayarak hesaplanan gösterir. EQ 3 ve EQ 4 işlemi parametre bileşimini kullanarak gösterin ve belirli enerji yoğunluğu ve toz yoğunluğu hesaplanması, yatırılan yüksekliği tahmin ve sonuç olarak en iyi ifade kalitesi elde etmek için en iyi etki alanı bulmak mümkündür.

Figure 5
Şekil 5: tek parça yüksekliği (h) belirli enerji yoğunluğu (E) karşı. Yüksek lazer enerji yoğunluğu, yüksek ısı girdisine ilgili belirli enerji yoğunluğu artırarak arttı tek parça yüksekliği. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 6
Şekil 6: tek parça yüksekliği (h) bir fonksiyonu olarak toz yem yoğunluğu (F). Yoğunluk yem toz artırarak, yatırılan parça yüksekliği arttı. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Metalik malzemeler doğrudan enerji birikimi içinde h (katman yüksekliği, veya ΔZ) ifade sonra bileşen kalitesini etkiler çok önemli bir faktördür. Metalik bileşenleri geleneksel doğrudan enerji birikimi, yılında ifade katman yüksekliğini bir sabit olarak kabul edilir ve bileşen ve onun malzeme, işlem parametreleri geometrisi dışında bu tür lazer güç ve lazer tarama hızı olduğunu son bileşeni imal etmek en iyi duruma getirilmiş. Nitekim, katmanları içinde sürekli bir kalınlık Dilimleme genellikle işlem parametreleri için uygun değil. Bu nedenle, bu kalınlık el ile veya ampirik olarak, hangi bileşeni ve üretim hızı kalitesini kurban değişmiş olabilir. Genel olarak, geleneksel katman dilimleme, üzerinde veya altında deposition yaklaşımları göz önünde bulundurarak sonraki ifade veya ilave katmanları (şekil 7a işleme gibi daha fazla düzeltme ihtiyacı katman kalınlığı nedeniyle elde edilebilir ). Böylece, bu çalışmada, çaba tabakası kalınlığı belirlemek için yeni bir strateji geliştirmek için bileşenleri üretiminde kullanılan işlem koşullarına göre üstlenmiş oldu.

Figure 7
Şekil 7: dilimleme. (a) geleneksel Dilimleme strateji, yeni strateji göre en uygun işlem parametreleri; Dilimleme (b) geleneksel katman dilimleme, üzerinde veya altında deposition yaklaşımları göz önünde bulundurarak sonraki ifade veya ilave katmanları işleme gibi daha fazla düzeltme ihtiyacı katman kalınlığı nedeniyle elde edilebilir. Bu yaklaşım, bileşen imalatı için katman kalınlığı iki kombine parametreleri belirli enerji yoğunluğu ile ilgili bir tek katman yüksekliği göre belirlenir. E birimi nokta boyutu başına belirli enerji yoğunluğu olduğunu, F yoğunluğu yem tozdur, tdep tek katman kalınlığı ise tKatman dilim kalınlığı.

Aslında, bu yaklaşım, bileşen imalatı için katman kalınlığı iki kombine parametreleri belirli enerji yoğunluğu ile ilgili bir tek katman yüksekliği göre belirlenir. Bu yöntem kanıt ve bileşenin kalitesini ve farklı katman kalınlığı arasındaki ilişki kontrol için bazı basit küpleri çeşitli ΔZ oluşturulmuş ve sonra onların kesitleri değerlendirildi.

Şekil 8a -b göstermek geleneksel yönteme göre daha önce geliştirilen çok katmanlı-blok temsilcisi kesit. Tablo 2, katman kalınlığı 0.325 mm dikkate Dilimleme strateji göre görüldüğü gibi şekil 8a içinde gösterilen blok istenen yüksekliği yaklaşık 5.2 mm olmalıdır. Ancak, Geleneksel yöntemde, 10.11 mm (fazla ifade) son yüksekliği, bir yüksek ΔZ (0.6 mm) işlemi sırasında dikkate alınarak bir sonucu olduğu sağlanır. Bu aşırı biriktirme işlemi füzyon katmanları arasındaki porozite numune içinde yüksek düzeyde eksikliği sonuçlandı. Öte yandan, şekil 8b düşük ΔZgöz önünde bulundurarak göstermektedir, istenen yüksekliği elde edilemez ve bu uzun biriktirme işlemi ve istenmeyen Mikroyapı sonuç. Bu farklılıklar Geleneksel yöntemde, katmanları içinde sabit bir kalınlık Dilimleme işlemi parametreleri için genellikle uymuyor ve böylece istediğiniz katmanı kalınlığı elde edilemez ima. Dilimleme strateji göre üretildi, blok, bir kesit Şekil 9' da gösterilmiştir. Uygun bir ΔZgöz önünde bulundurarak aracılığıyla görüldüğü gibi mükemmel boyutlu doğruluk elde etmek mümkün olabilir. Ancak, boyutsal doğruluk lazer güç temel tabakası erime içinde sonuçları yüksek giriş enerji sonucu olarak üst düzey Azaltılabilecek. Tablo 2 Dilimleme yöntemi kullanarak, daha istikrarlı havuzu pozisyon erime bir elde edilebilir ve sonuç olarak boyutsal doğruluğu artırır gösterir. Şekil 9 gösterir hangi Dilimleme yaklaşım göre üretilen ve olarak görülebilir uygun bir ΔZ kullanarak bir bloğu (~ 0,5 mm) ifade istediğiniz yüksekliği elde edildi.

Figure 8
Şekil 8: numune örnekleri üretilen geleneksel yöntemle. Katman kalınlığı 0.325 mm olarak görüyor Dilimleme strateji göre paneli bir içinde gösterilen blok istenen yüksekliği yaklaşık 5.2 mm olmalıdır. Ancak, Geleneksel yöntemde, 10.11 mm (fazla ifade) son yüksekliği, bir yüksek ΔZ (0.6 mm) işlemi sırasında dikkate alınarak bir sonucu olduğu sağlanır. Öte yandan, Masası b düşük ΔZgöz önünde bulundurursak tarafından istenen yüksekliği elde edilemez ve sonuçlar bir uzun biriktirme işlemi ve istenmeyen Mikroyapı olduğunu göstermektedir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 9
Şekil 9: örnek tarafından Dilimleme yaklaşım fabrikasyon örneği. Bunu göz önünde bulundurarak bir uygun ΔZ mükemmel bir boyutlu doğruluk sonuçlar doğruluyor.

Lazer güç (W) Katman kalınlığı (mm) Katman sayısı İstenen yüksekliği (mm) Yatırılan yüksekliği (mm)
Geleneksel yöntem 350 0.325 16 5.206 10.114
1500 0.758 8 6,07 3.425
Dilimleme yöntemi 325 0,485 5 7.436 7.245

Tablo 2: yatırılan yükseklik ve istenilen yükseklik geleneksel ve dilimleme yöntemleri arasında karşılaştırma. Bu Dilimleme yöntemi kullanarak, daha istikrarlı havuzu pozisyon erime bir elde edilebilir ve sonuç olarak, boyutsal doğruluğu artırır, gösterir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Bu çalışmada, odak Dilimleme kalınlık ayarı Ti-6Al-4V, DED süreçte eritebilir havuzu özellikleri geometri göre oldu. Bu amaçla, bir iki adım protokol tanımlanan ve kullanılan. Bir optimizasyon tek tarama ifade için süreç parametrelerinin Protokolü'nün ilk parçasıydı ve, bu adımda optimum parametreleri elde edildi ve erime havuzu geometrileri ölçüldü. Protokolü'nün ikinci bölümünde optimum parametreleri, örneklerin belirli enerji yoğunluğu hesaplanır. Bu adımda, erime havuzu yüksekliğini enerji yoğunluğu bir fonksiyonu olarak çizilen ve bu önemli adımda tabakası kalınlığı çok katmanlı ifade için elde edilebilir.

Çeşitli işlem parametreleri katmanları, kalınlığı alter beri DED, bileşen tam bir geometri Katmanlar bir sabit tabaka kalınlı¤ında birikimi neden olamaz. Bu göz önüne alındığında sabit bir katman kalınlığı için biriktirme, işlemi parametreleri bakılmaksızın altında - veya aşırı - deposition için geometrik hata o sonuçlarında ve sonuç olarak, uzun üretim süreci yol anlamına gelir. Dilimleme kalınlık ayarı yordamı, gerçek yatırılan yüksekliği ve işlem koşulları ilişkiyi araştırmak için bu soruşturmanın amacı oldu. Erime havuzu ve işlem parametreleri geometrisini arada yoluyla, optimum tabakası kalınlığı ile mineral için daha kısa bir süre içinde belirli işlem parametrelerle ilişkili belirlemek mümkün olacaktır sonucuna varılmıştır geleneksel yöntemleri.

Dilimleme strateji belirli enerji yoğunluğu ile ilgili tek kat yüksekliği elde denklemleri kullanır. Son bileşen için belirli bir yatırma koşulu tek katman yüksekliği göre dilimlenmiş. Önerilen yöntem doğrulamak için bazı bloklar Dilimleme yaklaşım göre üretildi. Bu araştırmanın sonuçları bu protokolü istihdam ederek, bunun doğru doğru boyutları ile bir bileşen oluşturmak için düşünülmesi gereken ana parametrelerden biri tabakası kalınlığı belirlemek mümkün olacağını göstermiştir. Sonuçları bağımlılığını malzeme tipi düşünülebilir bu protokol tek sınırlamasıdır ve böylece bu iletişim kuralı her malzeme tipi için yapılmalıdır. Buna ek olarak, katman kalınlığı ayarını doğruluğunu artırmak için erime havuzu genişliğini de iletişim kuralında kabul edilebilir. Protokol konusunda en önemli adım eritebilir havuzu geometri herhangi bir ölçümdür hata, bu adımda bile küçük hataları önemli bir hata katman kalınlığı ortamda sonuçlanabilir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarlar ifşa gerek yok.

Acknowledgments

Yazarlar için Horizon 2020 araştırma ve yenilik program Borealis - karmaşık 3D nesil 3A enerji sınıfı yeni katkı ve Eksiltici üretim için esnek makine Avrupa araştırma projesi kabul etmek istiyorum metal parçalar

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