Metody a organizace vědecké práce Projekt disertační práce

Transkript

1 Metody a organizace vědecké práce Projekt disertační práce Ing. Vendula Kratochvílová Ústav konstruování Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně Metody a organizace vědecké práce, FSI VUT v Brně

2 Obsah 1. Název práce a klíčová slova 2. Úvod 3. Shrnutí současného stavu poznání 4. Podstata a cíle disertační práce 5. Vědecké otázky a pracovní hypotézy 6. Způsob řešení a použité vědecké metody 7. Zkušební zařízení 8. Časový rozvrh 9. Spolupráce s jinými institucemi 10. Předpokládané náklady 11. Předpokládané výsledky 9MOP Seminář č.4 2 / 20

3 Název práce a klíčová slova Název: Identifikace únavového poškození materiálů vyrobených technologií selective laser melting pomocí nedestruktivních metod zkoušení Identification of fatigue damage materials fabricates using selective laser melting using non-destructive testing methods Klíčová slova: Selective laser melting, únavové poškození, akustická emise, nedestruktivní testování Selective laser melting, fatigue damage, acoustic emission, non-destructive testing 9MOP Seminář č.4 3 / 20

4 Úvod V poslední době velký rozvoj metod 3D tisku. Zatím pouze výroba modelů a prototypů. Budoucnost širší použití pro speciální aplikace ve šech průmyslových odvětvích. Příklady využití 3D tisku ( MOP Seminář č.4 4 / 20

5 Selective laser melting Postupné tavení tenkých vrstev kovového prášku laserovým paprskem Snížení vnitřních pnutí, zvýšení relativní hustoty (výrobní parametry, tepelné zpracování, ) Sledované vlastnosti materiálu: tvrdost, tažnost, hustota, vnitřní napětí, mikrostruktura, únava. Schéma výroby součástí metodou SLM ( 9MOP Seminář č.4 5 / 20

6 Současný stav poznání - Optimalizace procesních parametrů SLM MERCELIS, Peter a Jean Pierre KRUTH: Residual stresses in selective laser sintering and selective laser melting, 2006 Snižování zbytkových napětí Zbytková napětí lze snížit: odstranění součásti od základní desky, předehřátí základní desky, tepelné zpracování SONG Bo, Shujuan DONG, Sihao DENG, Hanlin LIAO a Christian CODDET. Microstructure and tensile properties of iron parts fabricated by selective laser melting, 2014 VANDENBROUCKE, Ben a Jean Pierre KRUTH: Selective laser melting of biocompatible metals for rapid manufacturing of medical parts, 2007 Rozdělení parametrů tisku do zón Vliv parametrů výroby na vnitřní hustotu materiálu 9MOP Seminář č.4 6 / 20

7 Současný stav poznání Únava SLM materiálu (Ti-6Al-4V) LIU, Qianchu, J. ELAMBASSERIL, S. SUN, M. LEARY, M. BRANDT a P. K. SHARP: The Effect of Manufacturing Defects on The Fatigue Behaviour of Ti-6Al-4V Specimens Fabricated Using Selective Laser Melting, 2014 Fotografie ze SEM typy vad: a) Typ I, b) Typ II, c) Typ III RAFI, H. Khalid, Thomas L. STARR a Brent E. STUCKER. A comparison of the tensile, fatigue, and fracture behavior of Ti 6Al 4V and 15-5 PH stainless steel parts made by selective laser melting, 2013 Trhliny iniciovány vadami těsně pod povrchem materiálu Šíření směrem od vady, skrz zrna O 20% nižší životnost než standartní materiál Nejsou jasně viditelné oblasti iniciace trhliny, šíření trhliny a dolomení 9MOP Seminář č.4 7 / 20 GONG, Haijun, Khalid RAFI, Hengfeng GU, G.D. JANAKI RAM, Thomas STARR a Brent STUCKER. Influence of defects on mechanical properties of Ti 6Al 4V components produced by selective laser melting and electron beam melting, 2015 Únavová životnost vzorků Ti-6Al-4V vyrobených technologií SLM

8 Současný stav poznání Únava SLM materiálu (AlSi10Mg) BRANDL, Erhard, Ulrike HECKENBERGER, Vitus HOLZINGER a Damien BUCHBINDER. Additive manufactured AlSi10Mg samples using Selective Laser Melting (SLM): Microstructure, high cycle fatigue, and fracture behavior, 2012 Postavení vzorků na základní desce Vliv směru tisku vzhledem k ose vzorku. Vliv předehřátí základní desky (30 nebo 300 C) Vliv tepelného zpracování (T6). Nejlepší výsledky: 30 C osa rovnoběžná se základní deskou 300 C odolnost proti únavě není závislá na směru tisku S-N křivky vzorků s nejlepšími výsledky 9MOP Seminář č.4 8 / 20

9 Současný stav poznání Akustická emise a únava Z. Han et al.: Acoustic emission during fatigue crack propagation in a micro-alloyed steel and welds, 2011 a Effects of micro-structure on fatigue crack propagation and acoustic emission behaviors in a micro-alloyed steel, 2013 HAN, Zhiyuan, Hongyun LUO, Chuankai SUN, Junrong LI, Mayorkinos PAPAELIAS a Claire DAVIS. Acoustic emission study of fatigue crack propagation in extruded AZ31 magnesium alloy, 2014 Kumulativní počet countů AE vs. počet cyklů Kumulativní počet countů AE pro události AE s rychlostí náběhu (RT) nad a pod 200 µs vs. počet cyklů 9MOP Seminář č.4 9 / 20

10 Současný stav poznání Únava SLM materiálu (Ti-6Al-4V) SKAL S KYI, V. R., I. M. LYASOTA a O. M. STANKEVYCH. Acousticemission diagnostics of the initiation of fatigue fracture of 1201-T aluminum alloy. Materials Science SHANYAVSKIY, Andrey a Mukharbiy BANOV. Fatigue Cracking and Acoustic Emission Regularities in Metals: Crack Origination and Growth. Key Engineering Materials MAZAL, P., F. VLASIC a V. KOULA. Use of Acoustic Emission Method for Identification of Fatigue Micro-cracks Creation. In: Procedia Engineering. Senlis, France, 2015 a) b) Průběh signálu AE ve fázi iniciace trhliny (a) a při přechodu do fáze stabilního šíření trhliny (b). Závislost počtu countů AE a počtu zátěžných cyklů s vyznačenými úhly α (a) a zlomená lopatka (b) (šipky označují místa iniciace trhlin). 9MOP Seminář č.4 10 / 20 Lokalizace zdroje signálu AE

11 Analýza, interpretace a zhodnocení poznatků na základě kritické rešerše Většina prací zaměřena na slitinu Ti-6Al-4V. Pro tuto slitinu je již proces výroby SLM optimalizován, nikoliv pro slitiny hliníku. Výzkum únavy SLM materiálu je v začátcích. Práce zaměřeny na únavu typu tah-tlak, nikoliv ohyb. Metodu AE lze použít pro analýzu únavového chování materiálu, ale nebyla ještě použita v souvislosti s SLM materiály. 9MOP Seminář č.4 11 / 20

12 Podstata a cíle disertační práce Zatím nikdo neřešil únavu hliníkových materiálů vyrobených SLM s použitím diagnostiky pomocí akustické emise. Identifikace strukturních změn v cyklicky zatěžovaných materiálech vyrobených technologií SLM a jejich porovnání s konvenčně vyráběným materiálem s použitím metody akustické emise. Na základě výsledků budou stanoveny nejvhodnější parametry pro výrobu cyklicky namáhaných součástí z daného materiálu. Získaná data akustické emise mohou být využita při testování cyklicky namáhaných dílů v praktických aplikacích a budou zařazena do celostátní databáze odezev AE. 9MOP Seminář č.4 12 / 20

13 Vědecké otázky a pracovní hypotézy Vědecké otázky: Jaké strukturní změny nastávají v SLM materiálech během cyklického zatěžování? Který typ vady má největší vliv na únavovou životnost materiálu? Jaká je odezva akustické emise během cyklického zatěžování těchto materiálu? Pracovní hypotézy: Vady typické pro technologii SLM mají výrazný vliv na únavové vlastnosti. Vady blíže k povrchu iniciují trhliny. Rozdíly ve strukturních změnách během porušování: standartní materiál pohyb dislokací SLM materiál propojování vad Rozdílná struktura způsobí jinou odezvu akustické emise. Srovnání lomové plochy konvenčně vyráběného a SLM materiálu 9MOP Seminář č.4 13 / 20

14 Způsob řešení a použité vědecké metody 1. Stanovení optimálních výrobních parametrů laseru s průběžným zkoušením materiálu vlastnosti laserového paprsku (např. energie laseru, průměr paprsku, ) vlastnosti kovového prášku (např. zrnitost, tvar zrn, granulometrie, tloušťka přidávaných vrstev, ) parametry skenování (rychlost, směr, řádkování) 3. Analýza únavového poškození pomocí AE Vyhodnocování pomocí dodávaného software DaeShow (systém XEDO), Dakel UI (systém IPL) ve spojitosti s výsledky z únavy a fraktografie. Sledované parametry AE: frekvenční spektrum, energie a celková aktivita. Detailní analýza pomocí programu Matlab. 2. Analýza vyrobených vzorků a stanovení nejlepších parametrů SLM vnitřní porózita a hustota vzorků (pomocí µct) mechanické vlastnosti (pevnost v tahu, tvrdost, ) mikrostruktura Charakteristika nespojitého signálu AE (Legenda: 1 doba náběhu, 2 maximální amplituda, 3 práh detekce, 4 čas, 5 trvání signálu, 6 počet překmitů, 7 napětí, 8 první překročení práhu) 9MOP Seminář č.4 14 / 20

15 Zkušební zařízení Pulsátor pro vysokocyklovou únavu RUMUL Cracktronic 8204 Diagnostická sestava XEDO-IPL Program Fatigue pro sledování a záznam zkoušek únavy Snímače akustické emise typu IDK 09 9MOP Seminář č.4 15 / 20

16 Časový rozvrh 9MOP Seminář č.4 16 / 20

17 Spolupráce s jinými institucemi Odbor reverzního inženýrství a aditivních technologií (Ústav konstruování) Výroba vzorků SLM Laboratoř µct (Ústavu fyzikálního inženýrství) Analýza vnitřní hustoty (porozity) Ústav materiálových věd a inženýrství Metalografické a fraktrografické analýzy mikrostruktury Mechanické zkoušky (tažnost, tvrdost, ) ZD Rpety - Dakel Měření a zpracování signálu AE Zařazení dat do celostátní dabáze 9MOP Seminář č.4 17 / 20

18 Předpokládané náklady Materiální náklady celkem asi Kč Kovový prášek pro tisk Kč Spotřební díly SLM technologie Kč Snímače AE (2 ks) Kč Spotřební materiál pro metalografickou přípravu vzorků a strukturní analýzu Kč Spotřební materiál pro elektronovou mikroskopii Kč Hutní materiál pro výrobu referenčních vzorků a drobné vybavení laboratoře Kč Drobné laboratorní potřeby pro μct měření Kč. Ostatní spotřební materiál (chemikálie, technické plyny, maziva, ) Kč Cestovní náklady celkem asi Kč Náklady na ostatní služby celkem asi Kč Použitím přístroj SLM 280HL a výroba vzorků (údržba, servis, mzdy pracovníků, ) Kč Služby laboratoře µct Kč Služby laboratoří UMVI (metalografická laboratoř, elektronová mikroskopie, mechanická laboratoř) Kč Zdroj: Projekt GA ČR - Vývoj pokročilých materiálů s využitím metody laserového spékaní 9MOP Seminář č.4 18 / 20

19 Předpokládané výsledky Typ výsledku Počet výsledků J imp Článek v impaktovaném časopise 1 J SC Článek v databázi Scopus 4 D Články ve sbornících z konferencí 4 Průběžné zveřejňování výsledků na konferencích Zvažované časopisy: Journal of Alloys and Compounds, Materials and Design, Rapid Prototyping Journal, Journal of Materials Processing Technology or Materials Letters, Materials Sciences and Engineering, Materials Characterization, Int. Journal of Fatigue, Insight, Metallic Materials, atd. 9MOP Seminář č.4 19 / 20

20 Děkuji vám za pozornost Vendula Kratochvílová