Summary
I denna forskning, är en snabb metod baserad på smälta pool karakterisering utvecklat för att uppskatta Lagrartjockleken av Ti-6Al-4V komponenter produceras av riktad energi nedfall.
Abstract
Riktad energi nedfall (DED), som är en additiv tillverkningsteknik, innebär skapandet av en smält pool med en laserstråle där metall pulver sprutas som partiklar. I allmänhet är denna teknik anställd antingen tillverka eller reparera olika komponenter. Den här tekniken påverkas de slutliga egenskaperna av många faktorer. En av de viktigaste uppgifterna i byggnadsdelar av DED faktiskt optimering av processparametrar (såsom lasereffekt, laser hastighet, fokus, etc.) som oftast sker genom en omfattande experimentell undersökning. Detta slags experiment är dock extremt långdragna och kostsamma. Således, för att påskynda optimeringsprocessen, genomfördes en undersökning för att utveckla en metod baserad på de smälta pool karakteriseringar. I själva verket i dessa experiment, sattes enda spår av Ti-6Al-4V in av en DED process med flera kombinationer av lasereffekten och laser hastighet. Ytan morfologi och dimensioner av enkelspår analyserades och geometriska egenskaper av smälta pooler utvärderades efter polering och etsning ottomotorer. Bra information angående val av optimala processparametrar kan uppnås genom att undersöka de smälta pool funktionerna. Dessa experiment förlängs för att karakterisera de största block med flera lager. Faktiskt, Detta manuskript beskriver hur det skulle vara möjligt att snabbt fastställa lagrartjockleken för massiva nedfall och undvika över eller under nedfall enligt den beräkna energitätheten av optimala parametrar. Förutom den över eller under nedfall är tid och material sparar de andra stora fördelarna med detta tillvägagångssätt där nedfallet av flerskikts komponenter kan startas utan någon parameter optimering i form av skiktets tjocklek.
Introduction
Ti-6Al-4V är de vanligaste Ti legering i flyg, flygplan, fordon, och biomedicinsk industri på grund av dess höga styrkan-to-viktförhållande, utmärkt brottseghet, låg densitet, utmärkt korrosionsbeständighet och värme treatability. Men dess mer ytterligare utvecklingar i andra program utmanande, på grund av dess låga termiska ledningsförmåga och hög reaktivitet funktioner, vilket resultera i dess fattiga bearbetbarhet. Dessutom på grund av värmen härdning fenomen under styckning, måste en specifik värmebehandling ske1,2,3,4.
Additiv tillverkning (AM) teknik visade dock stor potential att användas som ny tillverkningsteknik som kan minska pris- och energiförbrukning, och ta itu med några av de nuvarande utmaningarna i tillverkning av Ti-6Al-4V legeringen.
Additiva tillverkningstekniker kallas innovativa och kan tillverka en nära netto form komponent i en lager-för-lager mode. En lager-för-lager additiv tillverkning strategi, som skivor en Computer Aided Design (CAD) modell i tunna lager och sedan bygger komponenten lager för lager, är grundläggande för alla AM metoder. I allmänhet, additiv tillverkning av metalliska material kan delas in i fyra olika processer: pulver säng, pulver foder (blåst pulver), trådmatning och andra rutter3,5,6.
Riktad energi nedfall (DED) är en klass av additiv tillverkning och är en blåst pulver process som tillverkar tredimensionella (3D) nära netto form solida delar från en CAD-fil som liknar andra AM-metoder. I motsats till andra tekniker, DED kan inte endast användas som en tillverkningsmetod, men också kan användas som en reparera teknik för högt värde delar. I DED, metalliska pulver eller tråd materialet matas av en bärgas eller motorer i den smälta poolen, som genereras av laser beam på antingen substratet eller tidigare deponerat lager. DED processen är en lovande avancerade tillverkningsprocess som klarar fallande förhållandet buy-to-fly, och också kan reparera högt värde delar som tidigare var oöverkomligt dyrt att ersätta eller irreparabel7.
För att uppnå den önskade geometriska dimensioner och materialegenskaper, är det mycket viktigt att inrätta lämpliga parametrar8. Flera studier har genomförts för att belysa förhållandet mellan processparametrarna och deponerade provet slutliga egenskaper. Peyre o.a. 9 byggt några tunna väggar med olika processparametrar och sedan kännetecknas dem med hjälp av 2D och 3D profilometry. De visade att skiktets tjocklek och smälta pool volym påverkar parametrarna strävhet märkbart. Vim et al. 10 föreslagit en modell för att analysera relationen mellan de processparametrar och geometriska egenskaper i ett enda beklädnad lager (pläterad höjd, pläterad bredd och djup penetration).
Hittills har flera studier på DED av Ti har legeringar rapporterats, mest som inriktad på en kombination av parametrar påverkar egenskaperna för massiva prover11,12,4. Rasheedat et al. studerade effekten av scan hastighet och pulver flöde på de resulterande egenskaperna hos laser metall deponerade Ti-6Al-4V legeringen. De fann att genom att öka skanningshastighet och pulver flöde mikrostrukturen ändras från Widmanstätten till en martensitisk mikrostruktur, vilket resulterar i en ökning av ytjämnhet och Mikrohårdhetsprovning deponerade exemplar7. Dock ägnats mindre uppmärksamhet till att designa inställningen lager tjocklek. Choi et al. har undersökt sambandet mellan skiktets tjocklek och processparametrar. De har funnit att de viktigaste källorna till fel mellan nuvarande höjden och den faktiska höjden är pulver massflödet ränta och lager tjocklek inställning13. Deras studier har inte ordentligt genomfört lager tjockleksinställning eftersom de inblandade långa och felaktiga processer i inställningen lager tjocklek. Ruan et al. har undersökt effekten av laser scanning hastighet på den deponerade Lagerhöjd på en konstant lasereffekt och pulver utfodring kurs14. De föreslagit vissa empiriska modeller för lager tjockleksinställning som erhölls under särskilda villkor, och inställningen lager tjocklek kan således inte vara exakt på grund av användningen av särskild process parametrar15. I motsats till tidigare verk är lagrartjockleken inställning process som föreslås i detta manuskript en snabb metod som kan utföras utan att slösa tid och material.
Tyngdpunkten i detta arbete är att utveckla en snabb metod för bestämning av skikttjocklek baserat på egenskaperna hos de enda spåren av Ti-6Al-4V legeringen på optimal DED processparametrar. Därefter är de optimala processparametrarna anställda att bestämma en skikttjocklek och fabricera högdensitets Ti-6Al-4V block utan att slösa tid och material.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. pulverkarakterisering
- Sätt 3 g börjar Ti-6Al-4V pulver på dubbelsidiga klibbiga carbon band, som ligger på en aluminium pin påbörjad, och infoga inne i preparatet kammaren av en fält-utsläpp Scanningelektronmikroskop (FESEM) att analysera morfologi av pulver16.
- Mäta pulvret skenbara densitet genom att fylla en 30 cm3 behållare och mäta vikten på pulver enligt ASTM-B212 standard.
- Utföra en kemisk analys av börjar pulver (5-10 g), används pulver (5-10 g), och deponerade block (20 g) med hjälp av elemental (t.ex., Leco) och induktivt kopplad plasma (ICP) analyzer17.
2. riktad energi nedfall av enkelspår
-
Pulver lastning
- Använd personlig skyddsutrustning, inklusive en FFP3 andningsmask uppfyller kraven i EN 149, puderfria disponibla nitrilhandskar och skyddsglasögon plast.
- Öppna behållaren av pulvret matningssystem och använda köksfläkt (t.ex., ATEX) för att ta bort de återstående pulver.
- Ta bort tratten genom att följa relevanta instruktioner ges av konstruktören och rengör varje komponent med etanol-indränkt pappershanddukar.
Obs: Detta steg är grundläggande för att undvika kontaminering av olika typer av metallpulver. - Sätt ihop pulvret utfodring hopper genom att följa de instruktioner som ges av konstruktören. Utelämna endast översta locket på behållaren för att utföra lastning av pulvret.
- Fyll behållaren med Ti-6Al-4V pulver med kornstorlek i intervallet 50-150 µm. beroende på tillgängliga behållaren storlek, fyll den helt.
- Stäng den övre locket på behållaren mycket tätt för att undvika eventuella gasläckage.
-
Beredning av provet
- Plocka ett Ti-6Al-4V ark med mått 50 x 50 mm och 4 mm tjocklek.
- Ren ytan av Titan arket med etanol-indränkt pappershanddukar. Mäta vikten på bladet med en centesimal balans.
- Placera bladet på arbetsområdet enligt positionen för markören. Arbetsområdet är där nedfallet kommer att äga rum, så att det bestäms enligt den programmera sökvägen till roboten.
-
Beredning av roboten och beredning av nedfall utrustningen
- Montera munstycket på laserhuvudet så att vinkeln mellan den munstycke och den laser-axeln är 35°.
- Flytta roboten att arbeta utgångspunkten att utföra kalibreringen.
- Kontrollera avståndet mellan munstycket och arbetsplanet och vid behov manuellt korrigera munstycke läge tills det uppmätta avståndet är 5 mm.
Obs: Eftersom arbetsområdet lägger på ett horisontellt plan, detta avstånd är det vertikala avståndet mellan plåt och spetsen på munstycket. - Kontrollera centrering av munstycket utlopp med laser: först, växla på laser-guide genom att klicka på kommandot ”Laser Guide ON” på programvara för kontroll av lasern. Sedan sätta en tunn stav, mäta 0,8 mm i diameter och 200 mm i längd, släpper munstycket. Kontrollera att toppen av staven och plats i guiden för laser är sammanfallande. Om så inte är fallet, manuellt justera positionen på munstycket, respekt för avstånd och vinklar som tidigare angivits.
Obs: I detta fall, den yttre diametern av munstycket är 1 mm; om ett munstycke med en mindre diameter är anställd, använda ett spö vars diameter är mindre än för munstycket. - Kontrollera kalibreringsdata skrivs in programvaran robot kontroll: Klicka på knappen ”Apply” i programvaran, och vänta för sammanställning av koden.
Obs: Programvaran kommer att söka efter fel i kodexen. Om inga fel upptäcks, lagras koden på robotstyrningen. Om fel upptäcks, koden kommer inte att sammanställas och ytterligare revision kommer att behövas. - Aktivera modulen laser källa genom att klicka på kommandot ”Laser aktivera” på laser kontroll mjukvaran.
Obs: De sysselsatta laserkällan är en kontinuerlig fiberlaser avger i det infraröda området (1064 nm) med 5 kW maxeffekt. - Aktivera robotens motorer genom att manuellt trycka på knappen ”Robot motorer på” på kopplingsskåpet av roboten, och kontrollera att de relaterade säkerheten LED lyser: om så, det innebär att motorerna är aktiverade.
-
Starta processen nedfall
- Välj rätt fil på listan över befintliga program och läsa in sökvägen arbetar i rutinen huvudsakliga robot.
- Kontrollera parametrarna laser och robot: Ange laser makt till den specifika lasereffekten (325, 650, 980, 1500 W) och robot hastigheten till en given hastighet (30, 40, 50, 60 mm/s).
Obs: Dessa parametrar har skrivits in i kontroll mjukvaran av robot, enligt specifika språk av maskinen. - Bekräfta de nya parametrarna genom att trycka på knappen ”Apply” i programvaran, och vänta för sammanställning av koden. Programvaran kommer att söka efter fel i kodexen. Om inga fel upptäcks, koden lagras på robotstyrningen och det är redo att lanseras. Starta rutinen roboten genom att trycka på ”START”-knappen på den robot programvaran.
- Plocka upp provet med hjälp av den speciella nipper och rengör prov ytan med en etanol-indränkt pappershandduk för att avlägsna eventuella kvarvarande pulver.
3. analysera de enskilda spår
- Analysera de enskilda spår från toppen av en stereo Mikroskop med 5 X förstoring.
Obs: I detta skede, vissa bilder tas med hjälp av en stereo Mikroskop och analyseras visuellt. - Skär de enskilda spår från mitten av deponerade spåren vinkelrätt mot nedfall med hjälp av en exakt skärande verktyg.
- Montera tvärsnittet av enkelspår i epoxiharts. Välja en montering kopp och placera rena och torra provexemplaret i den. Mäta de rätta mängder harts noggrant viktprocent (10 g/prov) och blanda med en flytande härdare (6 g/prov). Häll harts-blandningen över preparatet och lämna fyllda montering koppar att bota i 30 min i rumstemperatur. Därefter slipa de monterade exemplar med 500, 800 och 1200 slippapper storlek SiC, och sedan polera med hjälp av diamant klistra in ner till de finare storlekarna av diamant partiklar (1 µm).
- Analysera de blanka ytorna när det gäller form och porositet genom ett optiskt mikroskop. Förvärva bilderna av smälta pooler med det optiska mikroskopet vid 10 X förstoring, och sedan analysera dem med Image-J programvara.
- Mät höjden på smälta pool genom att mäta avståndet mellan toppen och botten av smälta poolen. Efteråt, rita uppmätta höjden av smälta pooler som en funktion av specifika energitäthet, som beräknas enligt dess motsvarande ekvation. Nämligen kan energitäthet beräknas med följande ekvation:
- Passa en 2nd ordning polynom på experimentella resultat att få ekvationen motsvarar lagrartjockleken som en funktion av specifika energitäthet.
- Överväga en viss energitäthet, och beräkna lagrartjockleken enligt deras förhållande, som observerades i föregående steg.
- Verifiera metoden, fabricera ett skikts block genom att beakta beräknade lagrartjockleken och sedan karakterisera avsnittet av block i form av porositet och slutliga höjd.
- Analysera mikrostrukturen i fabricerade blocket efter en polering steget i samma förfarande som avsnitt 3.3. I själva verket efter slutlig polering, etch proverna för 30 s med Krolls reagens, som innehåller 92 mL destillerat vatten, 6 mL salpetersyra och fluorvätesyra 2 mL.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
För de experimentella studierna, var oregelbundna Ti-6Al-4V pulver med en genomsnittlig storlek på 50-150 µm och skenbar täthet av 1,85 g/cm3 anställd som deponerar material (figur 1). Den kemiska analysen av pulvret bekräftade att syre och kväve innehållet i pulvret inte ändrade före och efter nedfall processen, medan i båda fallen syrehalten var högre än Ti-6Al-4V pulver till standard syrehalt additiv tillverkning (< 0,13%). Syre och kväve innehållet av bulk komponenter ökade dock efter nedfall.
Figur 1: Start Ti-6Al-4V pulver används som deponerar material. Detta är en oregelbunden pulver med en genomsnittlig storlek på 100-150 µm och skenbar täthet av 1,85 g/cm3.
| C | S | Al | FE | H | N | O | V | TI | |
| Färsk pulver | 0,017 | < 0,001 | 5,83 | 0,08 | 0,013 | 0,022 | 0,23 | 3.89 | Bal. |
| Använda pulver | 0,016 | < 0,001 | 5,86 | 0,08 | 0,012 | 0,02 | 0,22 | 3,87 | Bal. |
| Bulk-komponent | 0,021 | 0,001 | 5,78 | 0,08 | 0,012 | 0,058 | 0,28 | 3.8 | Bal. |
| Standard | < 0,08 | -- | 5,5-6,5 | < 0,25 | < 0,012 | < 0,05 | < 0,13 | 3,5-4,5 | Bal. |
Tabell 1: den kemiska sammansättningen av Ti-6Al-4V pulver före och efter nedfall (viktprocent). Det visar att syre och kväve innehållet i pulvret inte ändrar före och efter nedfall processen, medan det i båda fallen syrehalten är högre än Ti-6Al-4V pulver för additiv tillverkning standard syrehalt.
Figur 2 visar de enda spåren av den Ti-6Al-4V legeringen efter nedfallet på olika lasereffekt och laser scanningshastighet. Som kan ses genom att öka scan lasereffekten och minskar laser hastighet, storleken på enskilda spår ökade.
Figur 2: enda spår av Ti-6Al-4V legeringen efter nedfall. Dessa enskilda spår var deponeras på olika lasereffekt och laser scan hastighet och analyseras från toppen. Genom att öka laser makt och minska laser scanningshastighet, deras storlek ökat.
Figur 3 visar tvärsnittet av enskilda spår efter nedfall, och genom att öka lasereffekten, höjden av enkelspår ökat avsevärt. Dessutom genom att minska den laser scan hastigheten på en konstant lasereffekt, höjd nedfall ökar medan, med låg lasereffekt och mycket hög laser scan hastighet, höjden av nedfall var försumbar. Trots höjden av smälta poolen var porositet bildandet inuti smälta poolen, i synnerhet nära gränssnittet för smälta pool/fusion zonområdet, ett annat fenomen som avslöjades efter nedfall.
Figur 3: tvärsnitt av enskilda spår efter nedfall. Genom att öka laser makt och minska laser scan hastighet, minskade höjden av smälta pool. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Förhållandet mellan enkelspår höjd och olika processparameter visas i figur 4. Höjden på enkelspår vid olika laser scan hastigheter ökade öka laser makt, vilket antyder att laser kraften upp till en viss punkt har en positiv effekt på nedfall höjden (figur 4a). Dock efter den kritiska punkten påverkar lasereffekten negativt tillväxten av nedfallet på grund av leverans av för mycket energi i den smälta poolen. Dessutom konstaterades att som laser skanning hastigheten ökade, minskade energitillförseln i smältande poolen och pulver leverans var indirekt minskade, och följaktligen den deponerade höjden minskade anmärkningsvärt (figur 4b).
Figur 4: effekten av olika processparametrar på enkelspår dimension. Det är klart att som laser scanning hastighet ökat (b), energitillförseln i smältande poolen reduceras och pulver leverans hastighet (a) är indirekt minskade och, följaktligen, deponerade höjd minskade anmärkningsvärt. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Dessa resultat visar tydligt påverkan av olika processparametrar på geometri av deponerade spår. Trots att ge värdefull insikt i processen, är bedömningen av deponerade höjden fortfarande utmanande, på grund av mängden parametrar som var inblandade. Alltså, vissa har gjorts insatser att utveckla en ny strategi för att utvärdera effekten av kombinationen av processparametrar på geometri av deponerade spår.
Som visades, höjden av deponerade lager ökade med ökande laser kraften och man förstod att detta inte var den enda parameter som påverkar höjden av smältande poolen. I själva verket i tidsperioden som behövs för att smälta en given volym av substratet och sätta in ett lämpligt lager smält material, bör en viss mängd energi och pulver lämnas till substratet. Denna energi bestäms inte bara av lasereffekten och laser scan hastighet, men också laser spot storlek bör övervägas. För detta ändamål beräknas den specifika energitätheten per enhet strålpunkt (E) och pulver foder densitet (F) för att utvärdera effekten av en kombination av dessa parametrar.
E, som är särskilda energitäthet, visar den energi som levereras in smälta poolen av lasern, och i princip ansvarar för smältning av underlaget och pulver. Här energitäthet uttrycks som8
(1)
Där E är den specifika energitätheten per enhet strålpunkt, P är lasereffekten (W), v är laser scan hastighet (mm/s) och D är laser spot storlek (mm). För att erhålla ett lämpligt nedfallet nivå för varje metalliskt material, det finns en viss nivå av energi under vilken ingen fusion obligationer kan uppnås, och det okända att utspädningen blir för stor. En annan faktor som visar effekten av en kombination av parametrar är pulver densiteten (F), som kan beräknas enligt följande8
(2)
Här F är pulvret foder densitet och G är pulvret utfodring rate (g/s).
Figur 5 visar variationen av deponerade Lagerhöjd som en funktion av specifika energitäthet. Som kan ses, höjden på enskilda spår ökade med ökande specifika energitäthet, som kan relateras till den högre värmetillförseln på laser högre energitäthet. Det empiriska sambandet mellan energitäthet och höjden av nedfall är följande:
h = 14,99 E – 17,85 (3)
Från denna ekvation, kan höjden av deponerade spår uppskattas genom beräkning av den specifika energitätheten och denna ekvation. Däremot, visade variationen av deponerade höjd som en funktion av pulver täthet, som visas i figur 6, att genom att öka pulver täthet, höjd deponerade spår ökar, och empiriska förhållandet mellan dessa kan vara uttryckt som följer:
h = 38477 F – 157.06 (4)
Denna ekvation visar att höjden av deponerade spår kan beräknas genom att beräkna pulver tätheten och denna ekvation. Ekv 3 och Eq. 4 visar att med hjälp av kombinationen av processparametrar och beräkning av den specifika energitäthet och pulver täthet, det är möjligt att prognos deponerade höjden och därmed hitta den bästa domänen att uppnå den bästa nedfall.
Figur 5: enkelspår höjden (h) kontra specifika energitäthet (E). Höjden på enskilda spår ökade med ökande specifika energitäthet, som kan relateras till den högre värmetillförseln på högre laser energitäthet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6: enkelspår höjd (h) som en funktion av pulver foder densitet (F). Genom att öka pulvret foder täthet, höjd deponerade spår ökar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
I direkt energi nedfall av metalliska material är h (Lagerhöjd, eller ΔZ) en mycket viktig faktor som påverkar kvaliteten på komponent efter nedfall. I konventionella direkt energi nedfall av metallkomponenter, höjden av lagrets nedfall anses en konstant och, frånsett geometri av komponenten och dess material, processparametrarna sådan lasereffekt och laserscanning hastighet var optimerad för att fabricera den sista komponenten. Faktiskt, skivning lagren i en konstant tjocklek oftast överensstämmer inte med processparametrar. Därför kan denna tjocklek ändras antingen manuellt eller empiriskt, som offrar kvalitet komponent och andelen tillverkning. I allmänhet i konventionella lager skivning, kan över - eller under - deposition uppnås på grund av närhetarna i övervägande av lagrartjockleken, som behöver ytterligare korrigeringar som efterföljande nedfall eller bearbetning extra lager (figur 7a ). I detta arbete, har således ansträngning gjorts att utveckla en ny strategi för att fastställa lagrartjockleken, enligt de villkor som processen som används i produktionen av komponenter.
Figur 7: skivning. (a) konventionella skivning strategi, (b) nya skivning strategi enligt de optimala processparametrarna; i konventionella lager skivning, kan över - eller under - deposition uppnås på grund av närhetarna i övervägande av lagrartjockleken, som behöver ytterligare korrigeringar, såsom efterföljande nedfall eller bearbetning extra lager. I denna strategi bestäms lagrartjockleken för tillverkning av komponenten enligt en enkellager höjd relaterade till specifika energitäthet av två kombinerade parametrar. E är den specifika energitätheten per enhet strålpunkt, F är pulvret foder densitet, tdep är enda lagrartjockleken och tlager är tjockleken slice.
I själva verket i denna strategi bestäms lagrartjockleken för tillverkning av komponenten enligt en enkellager höjd relaterade till specifika energitäthet av två kombinerade parametrar. Bevis på denna metod och kontrollera sambandet mellan kvaliteten på komponenten och olika skiktets tjocklek, byggdes några enkla kuber på olika ΔZ och sedan deras tvärsnitt utvärderades.
Figur 8a -b visar de representativt tvärsnitt av multilayer-block, som producerats enligt den konventionella metoden. Som kan ses i tabell 2, enligt skivning strategin som anser 0.325 mm som lagrartjockleken, bör önskad höjd av blocket visas i figur 8a vara cirka 5,2 mm. Men i den konventionella metoden uppnåddes den slutliga höjden på 10.11 mm (över deposition), som är en följd av att betrakta en hög ΔZ (0,6 mm) under processen. Denna alltför nedfall process resulterade i avsaknaden av fusion mellan lager, och en hög porositet inuti preparatet. Däremot, figur 8b visar att genom att beakta en låg ΔZ, önskad höjd uppnås inte och detta resulterar i en lång nedfall process och oönskade mikrostruktur. Dessa skillnader innebär att i den konventionella metoden, skivning lagren i en fast tjocklek inte vanligtvis överensstämmer med processparametrar, och således önskad lagrartjockleken inte uppnås. Ett tvärsnitt av blocket, som producerades enligt strategin skivning, visas i figur 9. Som kan ses genom att överväga ett lämpligt ΔZ, kunde det vara möjligt att uppnå utmärkta måttnoggrannhet. Måttnoggrannhet kan vara minskade dock på en hög nivå av lasereffekten till följd av hög ingående energi, vilket resulterar i smältning av underliggande lager. Tabell 2 visar att genom att använda metoden skivning, en stabilare smältande pool position kan uppnås, och följaktligen måttnoggrannhet ökar. Figur 9 visar ett block som produceras enligt skivning synsätt, och som kan ses med hjälp av en lämplig ΔZ (~ 0,5 mm) önskad höjd av nedfall erhölls.
Figur 8: exempel på exemplar producerad av den konventionella metoden. Enligt skivning strategin som anser 0.325 mm som lagrartjockleken bör blocket som visas i panelen en önskad höjd vara cirka 5,2 mm. Men i den konventionella metoden uppnåddes den slutliga höjden på 10.11 mm (över deposition), som är en följd av att betrakta en hög ΔZ (0,6 mm) under processen. Däremot, illustrerar panel b genom att betrakta en låg ΔZ, önskad höjd inte kan uppnås, som resulterar i en lång nedfall process och oönskade mikrostruktur. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 9: exempel på ett prov som tillverkas genom metoden skivning. Det bekräftar att en korrekt ΔZ övervägande resulterar i en utmärkt måttnoggrannhet.
| Lasereffekt (W) | Skiktets tjocklek (mm) | Antal skikt | Önskad höjd (mm) | Deponerade höjd (mm) | |
| Konventionell metod | 350 | 0,325 | 16 | 5.206 | 10.114 |
| 1500 | 0.758 | 8 | 6,07 | 3.425 | |
| Skivning metod | 325 | 0,485 | 5 | 7.436 | 7.245 |
Tabell 2: jämförelse mellan insatta höjd och önskad höjd i konventionella och skivning metoder. Det visar att genom att använda metoden skivning, en stabilare smältande pool position kan uppnås och, följaktligen, måttnoggrannhet ökar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
I detta arbete var fokus på inställningen skivning tjocklek i DED processen av Ti-6Al-4V, enligt geometri av smälta pool egenskaper. För detta ändamål, en två-stegs protokollet definieras och utnyttjas. Den första delen av protokollet var en optimering av processparametrar för enda scan nedfall under detta steg, de optimala parametrarna uppnåddes och smälta pool geometrier mättes. I den andra delen av protokollet beräknades den specifika energitätheten av exemplar på optimala parametrar. I det här steget höjden av smälta poolen var ritas som en funktion av energitäthet och, i det här kritiska steget lagrartjockleken för multilayer nedfall kan uppnås.
I DED, eftersom olika processparametrar ändra tjockleken på lager, kan inte nedfall av lager med en konstant skikttjocklek resultera i en exakt geometri av komponenten. Det innebär att med tanke på ett fast lager tjocklek för nedfall, oavsett processparametrar, leder till under - eller över - deposition som resulterar i geometriska fel och därmed en lång process. Syftet med denna undersökning var att undersöka förhållandet mellan skivning tjocklek inställningsproceduren, faktiska deponerade höjden och de process villkor. Slutsatsen var att genom kombinationen av geometri av parametrarna smälta pool och processen, det vore möjligt att fastställa optimala lagrartjockleken förknippas med de specifika processparametrarna i en kortare tidsperiod med avseende på den traditionella metoder.
Skivning strategin använder de ekvationer som får lager höjden relaterade till specifika energitäthet. Den sista komponenten är skivad enligt enkellager höjden för en specifik deponerar tillstånd. För att kontrollera den föreslagna metoden, producerades några block enligt skivning synsätt. Resultaten av denna forskning har visat att genom att använda detta protokoll, det vore möjligt att fastställa lagrartjockleken, som är en av de viktigaste parametrarna som ska anses vara korrekt att bygga en komponent med korrekta mått. Den enda begränsningen av detta protokoll som kan övervägas är beroendet av resultaten på typ av material och således detta protokoll bör göras för varje typ av material. För att öka noggrannheten i inställningen lager tjocklek, kan dessutom bredden på smälta poolen också övervägas i protokollet. Det viktigaste steget i protokollet är mätning av smälta pool geometrin så att eventuella fel, även små fel, i detta steg kan resultera i en betydande fel i inställningen lager tjocklek.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har något att avslöja.
Acknowledgments
Författarna vill erkänna det europeiska forskningsprojektet som hör till programmet Horisont 2020 för forskning och innovation Borealis - 3A energi klassen flexibel maskin för nya additiv och subtraktiv tillverkning på nästa generation av komplexa 3D metalldelar
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 |
References
- Banerjee, D., Williams, J. C. Perspectives on Titanium Science and Technology. Acta Mater. 61 (3), 844-879 (2013).
- Peters, M. Titanium and Titanium Alloys. Leyens, C., Peters, M. , WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. (2003).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Chen, X., Tao, Z. Maximum thickness of the laser cladding. Key Eng Mater. 46, 381-386 (1989).
- 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).
- 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).
