Optimalizace procesních parametrů pro výrobu strukturovaných dílů technologií Selective Laser Melting

Podobné dokumenty
Optimalizace procesních parametrů pro výrobu strukturovaných dílů technologií Selective Laser Melting

FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ, VUT BRNO NETME Centre

Studium absorpce energie v mikroprutové struktuře vyrobené technologií Selective Laser Melting

ZPRACOVÁNÍ KOVOVÝCH MATERIÁLŮ SELEKTIVNÍM LASEROVÝM TAVENÍM ZA ZVÝŠENÝCH TEPLOT

HYBRIDNÍ NÁVRH DÍLŮ PRO ADITIVNÍ ZPŮSOB VÝROBY

3D TISK KOVOVÝCH MATERIÁLŮ

Studium absorpce energie v mikroprutové struktuře vyrobené technologií Selective Laser Melting

Výzkum a vývoj AM na VUT FSI Brno

Pojednání ke státní doktorské zkoušce. Hodnocení mechanických vlastností slitin na bázi Al a Mg s využitím metody AE

Zpracování hořčíkových slitin technologií SLM

Odbor reverzního inženýrství a aditivních technologií Výroční zpráva 2015

Základy vědecké práce Nová studentská laboratoř

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

Studium absorpce energie v mikro-prutové struktuře vyrobené technologií Selective Laser Melting

NÁVRH PORÉZNÍCH STRUKTUR PRO ADITIVNÍ VÝROBU TECHNOLOGIÍ SELECTIVE LASER MELTING

Metody a organizace vědecké práce Projekt disertační práce

NETME Centre Nové technologie pro strojírenství

Pojednání ke státní doktorské zkoušce. Hodnocení mechanických vlastností slitin na bázi Al a Mg s využitím metody AE

Abyste mohli dělat věci jinak, musíte je jinak i vidět Paul Allaire

Ing. Tomáš MAUDER prof. Ing. František KAVIČKA, CSc. doc. Ing. Josef ŠTĚTINA, Ph.D.

KONSTRUKČNÍ INŽENÝRSTVÍ. Učíme věci jinak

Konstrukční inženýrství

ANNUAL REPORT David Paloušek. Brno,

Vliv složení třecí vrstvy na tribologii kontaktu kola a kolejnice

JAK MĚNÍ ADITIVNÍ TECHNOLOGIE VÝUKU?

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

Studium utváření elastohydrodynamických mazacích filmů u hypoidních převodů. Pojednání ke Státní doktorské zkoušce. M. Omasta

Vliv povrchových nerovností na utváření velmi tenkých mazacích filmů na hranici přechodu do smíšeného mazání

Formování tloušťky filmu v elastohydrodynamicky mazaných poddajných kontaktech

KONSTRUKČNÍ INŽENÝRSTVÍ UČÍME VĚCI JINAK

KONSTRUKČNÍ INŽENÝRSTVÍ. Učíme věci jinak

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

IDENTIFIKACE ÚNAVOVÉHO POŠKOZENÍ MATERIÁLŮ VYROBENÝCH TECHNOLOGIÍ SELECTIVE LASER MELTING POMOCÍ NEDESTRUKTIVNÍCH METOD ZKOUŠENÍ

Aktuální trendy v oblasti modelování

VŠB Technical University of Ostrava, Faculty of Mechanical engineering, 17. Listopadu 15, Ostrava Poruba, Czech Republic

Automatické generování pozic optického skeneru pro digitalizaci plechových dílů.

Experimentální studium utváření mazacích filmů při reverzaci a rozběhu třecích povrchů

Korelace změny signálu AE s rozvojem kontaktního poškození

Abyste mohli dělat věci jinak, musíte je jinak i vidět Paul Allaire

Lítáme v 3D tisku? Ing. Jaroslav Vtípil, Ph.D. Ing. Andrej Chrzanowski

Metodika konstruování Úvodní přednáška

In-situ studium změny topografie třecích povrchů v elastohydrodynamickém kontaktu

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

ÚSTAV KONSTRUOVÁNÍ Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně

Vysoká škola ekonomická v Praze Fakulta managementu v Jindřichově Hradci Opatření děkana Fakulty managementu č. 7/2016

Projektově orientovaná výuka ve strojírenství

NUMERICKÉ ŘEŠENÍ VIBROIZOLACE STROJE

Ústav výrobního inženýrství NABÍDKA SPOLUPRÁCE. Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, Fakulta technologická

Únosnost kompozitních konstrukcí

Seznam publikací, Ing. Josef Půta, Ph.D.

VÝVOJ NOVÉ GENERACE ZAŘÍZENÍ S POKROČILOU DIAGNOSTIKOU PRO STANOVENÍ KONTAKTNÍ DEGRADACE

21A412: Optimalizace geometrických parametrů a pevnostních výpočtů ozubených kol automobilních převodovek zahrnující reálné provozní podmínky.

Témata doktorského studia pro akademický rok 2014/2015

SEZNAM PŘÍLOH 11. SEZNAM PŘÍLOH

Doktorské studium na FPH VŠE. Martin Lukeš proděkan pro vědu, výzkum a doktorské studium

Problematika disertační práce a současný stav řešení. Filip Hort

BRDSM: Komplexní systém dynamického řízení kvality plynule odlévané oceli

Témata doktorského studia pro akademický rok 2014/2015

REGIONÁLNÍ TECHNOLOGICKÝ INSTITUT. Západočeská univerzita v Plzni Fakulta strojní

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

ÚSTAV KONSTRUOVÁNÍ ÚK

Studium přechodových p v mazacích ch filmech vysokorychlostní barevnou kamerou

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Experimentální studium chování mazacích filmů kontaminovaných vodou

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Pojednání k Disertační práci/discourse on the PhD Thesis

, Hradec nad Moravicí POLYKOMPONENTNÍ SLITINY HOŘČÍKU MODIFIKOVANÉ SODÍKEM

Metodika konstruování Úvodní přednáška

Analytické metody v motorsportu

Č. j.: TF/5/14 V Praze dne

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

ZPRÁVA Z ÚČASTI NA ZAHRANIČNÍ KONFERENCI

Research Open Day Prezentace dosavadního postupu na projektu. Vliv země původu a důvěryhodnosti značky na nákupní úmysly

Západočeská univerzita v Plzni fakulta Strojní

Rozvoj tepla v betonových konstrukcích

Zelený produkt automobilek a jeho vnímání různými generacemi českých spotřebitelů EVA JADERNÁ, MARTIN MLÁZOVSKÝ

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

133PSBZ Požární spolehlivost betonových a zděných konstrukcí. Přednáška A12. ČVUT v Praze, Fakulta stavební katedra betonových a zděných konstrukcí

Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka - AutoSympo a Kolokvium Božek až , Roztoky -

Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství VŠB-TUO a její spolupráce s průmyslem

VYUŽITÍ DYNAMICKÝCH MODELŮ OCELÍ V SIMULAČNÍM SOFTWARE PRO TVÁŘENÍ

Základy tvorby výpočtového modelu

STUDENTSKÉ PRÁCE 2013/2014

BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ENERGETICKÝ ÚSTAV FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING ENERGY INSTITUTE

OCELOVÁ KONSTRUKCE ROZHLEDNY STEEL STRUCTURE OF VIEWING TOWER

OTÁZKY K PROCVIČOVÁNÍ PRUŽNOST A PLASTICITA II - DD6

PŘEPOČET KOTLE PŘI DÍLČÍM VÝKONU

PRÁŠKOVÉ TECHNOLOGIE RAPID PROTOTYPING

Posouzení a optimalizace nosného rámu studentské formule

Analýza utváření mazacího filmu v náhradách kyčelního kloubu

23. dny tepelného zpracování 23 rd International Conference on Heat Treatment

Centrum AdMaS Struktura centra Vývoj pokročilých stavebních materiálů Vývoj pokročilých konstrukcí a technologií

Mechanická modifikace topografie strojních součástí

Doktorské studium oboru Fyzická geografie a geoekologie

Klíčová slova Autosalon Oblouk Vaznice Ocelová konstrukce Příhradový vazník

Konstrukce optického mikroviskozimetru

WELDPRINT 5AX Nový stroj KOVOSVIT MAS, a.s. pro hybridní technologii výroby. Petr Heinrich, Lukáš Libovický, Jan Smolík, Ivan Diviš

Zásady pro vypracování závěrečné bakalářské a diplomové práce (VŠKP) pro akademický rok 2018/2019

Analytické metody v motorsportu

Transkript:

Optimalizace procesních parametrů pro výrobu strukturovaných dílů technologií Selective Laser Melting Radek Vrána Vedoucí práce: doc. David Paloušek, Ph.D. Ústav konstruování Konstrukční inženýrství Fakulta strojního inženýrství Vysoké učení technické v Brně

Obsah 1) Název, Klíčová slova 2) Úvod 3) Odůvodnění nutnosti řešení dan problematiky 4) Přehled současného stavu poznání 5) Analýza poznatků na základě kritické rešerše 6) Podstata a cíle disertační práce 7) Vědecká otázka a pracovní hypotéza 8) Popis navrhovaných koncepčních a metodických postupů 9) Časový plán a etapy řešení 10) Spolupráce s jinými institucemi 11) Předpokládané náklady spojené s řešením 12) Charakteristika předpokládaného výsledku řešení disertační práce 1/21

Název, Klíčová slova Původní název: Optimalizace prostorových struktur pro speciální díly vyráběné technologií Selective Laser Melting Současný název: Optimalizace procesních parametrů pro výrobu strukturovaných dílů technologií Selective Laser Melting Původní název anglicky: Optimization of lattice structures for special parts made by Selective Laser Melting technology Současný název anglicky: Optimization of process parameters for lattice structures parts made by Selective Laser Melting technology Klíčová slova: Odlehčené konstrukce, mřížková struktura, AlSi10Mg, mechanické vlastnosti, procesní parametry, aditivní technologie Key words: Leight-weight construction, Lattice Structure, AlSi10Mg, Mechanical Properties, Process parametrs, Additive Technology. 2/21

Úvod Technologie Selective Laser Melting (SLM) Kovová aditivní technologie Postupné tavení vrstev kovového prášku na sebe pomocí výkonného laseru Nové možnosti pro návrh dílů bez technologických omezení nový způsob uvažování Návrat i tvarům inspirovaných přírodou porézní struktury. 3/21

Odůvodnění nutnosti a potřebnosti řešení dané problematiky v daném čase Velký potenciál pro aplikace, kde je podstatný parametr nízká hmotnost součásti Efektivní využití materiálu na součásti není žádný přebytečný materiál Letectví, Kosmonautika = vysoké požadavky na stálost výrobního procesu a predikci vlastností dílu Ideální pro kombinaci s topologickou optimalizací Nevýhody strukturovaného dílu: Komplikovaná výroba kvalitních prutů Mechanické vlastnosti tenkých prutů MKP výpočet složitého systému prutů. 4/21

Shrnutí současného stavu poznání Mechanické vlastnosti Mechanical properties of AlSi10Mg produced by Selective Laser Melting [11], (Kempen, 2012) Zkoumání mechanických vlastností SLM materiálu Vliv postavení a strategie výroby na vznik pórů Odlišné mechanické vlastnosti pro různé orientace vzorků Vznik pórů v materiálu [Kempen, 2012] Vliv orientace na vznik pórů v materiálu [Kempen, 2012] 5/21

Shrnutí současného stavu poznání Mechanické vlastnosti Additive manufactured AlSi10Mg samples using Selective Laser Melting (SLM): Microstructure, high cycle fatigue, and fracture behavior [12], (Brandl, 2012) Zkoumání mechanických vlastností v závislosti na orientaci Izotropní mechanické vlastnosti materiálu Tělesa byla obrobena odstranění pórovité vrstvy Nevyvrací článek od Kempen et al. 6/21

Shrnutí současného stavu poznání Mechanické vlastnosti The Influence of Processing Parametrs on the Mechanical Properties of Selectively Laser Melded Stainless Steel Microlattice Structures [13], (Tsopanos, 2010) Mechanické testy jednotlivých prutů Mechanické vlastnosti o 50% nižší než očekávané nelze použít mech. vl. objemového materiálu Velké množství pórů v celém objemu odstranění pórovité vrstvy Povrchová vrstva v celém objemu ϕ0,5mm Vliv orientace na vznik pórů v materiálu [Kempen, 2012] 7/21

Shrnutí současného stavu poznání Rozměrová stálost Impact of EBM Fabrication Strategies on Geometry and Mechanical Properties of Titanium Cellular Structures [15], (Suard, 2014) Významná rozměrová nepřesnost prutů odhad nosného objemu Pro potřeby MKP výpočtu Definice pojmu efektivní objem Rozdíl mezi skutečnou a očekávanou tuhostí 8/21

Shrnutí současného stavu poznání Rozměrová stálost Dimensional accuracy of single beams of AlSi10Mg alloy and 316L stainless steel manufactured by SLM [16], (Koutný; Vrána, 2014) Významná rozměrová nepřesnost prutů odhad nosného objemu Vliv orientace prutů na rozměrovou nepřesnost Určení efektivního průměru přepočet mechanických vlastností Nalepování okolního prášku na prut Při nízkých úhlech prakticky zaniknutí tvaru prutu (teor. válce) 9/21

Shrnutí současného stavu poznání Materiálové vlastnosti Reducing porosity in AlSi10Mg parts processed by selective laser melting. Additive [17], (Aboulkhair, 2014) Velké množství procesních parametrů mezení na základní parametry Pozorování výkonu laseru, rychlosti laseru, hatch distance a tloušťky nanášené vrstvy Velikost zkušebních vzorků 5x5x5 mm Výsledná hustota materiálu 99,8 % 10/21

Shrnutí současného stavu poznání Materiálové vlastnosti Další články zabývající se podobnou problematikou: MANFREDI, Diego, Flaviana CALIGNANO, Manickavasagam KRISHNAN, Riccardo CANALI, Elisa PAOLA, Sara BIAMINO, Daniele UGUES, Matteo PAVESE a Paolo FINO. Additive Manufacturing of Al Alloys and Aluminium Matrix Composites (AMCs). Light Metal Alloys Applications. InTech, 2014. QIU, Chunlei, Sheng YUE, Nicholas J.E. ADKINS, Mark WARD, Hany HASSANIN, Peter D. LEE, Philip J. WITHERS a Moataz M. ATTALLAH. Influence of processing conditions on strut structure and compressive properties of cellular lattice structures fabricated by selective laser melting. Materials Science and Engineering: A [online]. 2015, vol. 628, s. 188-197 [cit. 2015-03-24].Výsledná hustota materiálu 99,8 % ZHANG, Baicheng, Lucas DEMBINSKI a Christian CODDET. The study ofthe laser parameters and environment variables effect on mechanical properties of highcompact parts elaborated by selective laser melting 316L powder. Materials Scienceand Engineering: A. 2013, vol. 584, s. 21-31. 11/21

Shrnutí současného stavu poznání Predikce mechanických vl. Smith et al. 2012; Ushijima et al. 2011; Grümrick et al. 2013 MKP výpočet prutových struktur pro nerezovou ocel 316L Detailní výpočet jedné základní buňky pomocí beam a 3D elementů Analytický odhad mechanických vlastností zkrácení výpočetního času Nevhodné pro složitější uspořádání buňek Deformace základní BCC buňky [Smith, 2012] 12/21

Analýza poznatků na základě kritické rešerše Mechanické vlastnosti Objemové vzorky mají na povrchu pórovitou vrstvu Tenké pruty jsou tvořeny pouze pórovitou vrstvou Degradace mechanických vlastností nutný výzkum speciálních parametrů pro malo-objemové díly nutný výzkum mechanických vlastností tenkých prutů z AlSi10Mg Rozměrová stálost Zjednodušení problému - definice efektivního průměru Vliv orientace prutu na rozměry prutu Vliv orientace prutu na nalepování okolního prášku Degradace tvaru prutů nutný výzkum speciálních parametrů pro malo-objemové díly významné zpřesnění MKP analýzy 13/21

Analýza poznatků na základě kritické rešerše Materiálové vlastnosti Proces ovlivňuje velké množství parametrů základní parametry Výzkumparametrů probíhá většinou na větším objemu materiálu Snaha o homogenní materiál bez vad Výrazné rozdíly mezi parametry pro malo-objemové a objemové díly souvislost s odvodem tepla vyráběným dílem nutný výzkum speciálních parametrů pro malo-objemové díly nutný výzkum základních procesních parametrů a jejich konkrétní vliv na materiálové vlastnosti Predikce mechanických vlastností Omezení pouze na část strukturovaného materiálu náročné na výpočetní výkon Simulace podrobné deformace jedné základní buňky Analytický přístup snaha o zkrácení výpočetního času Nevhodné pro výpočet tvarově složitých součástí 14/21

Cíle disertační práce výzkum procesních parametrů technologie SLM pro výrobu strukturovaných dílů bez materiálových a rozměrových vad výzkum vlivu hlavních procesních parametrů technologie SLM na výrobu strukturovaných dílů bez materiálových a rozměrových vad využití výsledků pro predikci speciálního strukturovaného dílu Dílčí úkoly: Výzkum procesních parametrů Rozměrová analýza v závislosti na orientaci pro nové parametry Mechanické testování vzorků MKP simulace přestupu tepla malo-objemovým dílem Aplikace korekčních parametrů a poznatků do predikce strukturovaného dílu Mechanické testování strukturovaného dílu; porovnání s predikcí 15/21

Vědecká otázka a pracovní hypotéza Vědecká otázka Je možné vyrábět strukturované díly z materiálu AlSi10Mg bez materiálových a rozměrových vad tak, aby bylo možné přesně predikovat jejich mechanické vlastností? Je možné určit vliv hlavních procesních parametrů na výrobu strukturovaných dílů s téměř 100% hustotou materiálu a požadovanými rozměry? Je možné predikovat přesné mechanické vlastnosti strukturovaných dílů, které mají požadované rozměry a materiálové vlastnosti? Pracovní hypotéza Zpracování slitiny bez materiálových a rozměrových vad z materiálu AlSi10Mg je možné po vyrobení několika sad zkušebních vzorků pro objasnění vlivu jednotlivých parametrů. Pokud je struktura tvořena z prutů očekávaných rozměrů a vlastností bude možné predikovat reálné mechanické vlastnosti. Předpokládá se, že hlavní vliv na nepřesné výpočty strukturovaného materiálu má špatný předpoklad vlastností materiálu (mechanické vlastnosti, tvar, objem, ). Pokud budeme vyrábět materiál s požadovanými vlastnosti, budeme schopni přesně predikovat mechanické vlastnosti. Zjištění vlivu základních procesních parametrů a eliminovat vznik materiálových vad při zpracování slitiny AlSi10Mg je možné při vyrobení matice vzorků s různým nastavením těchto parametrů. V každé sérii bude vždy měněn pouze jeden parametr. Tím bude zjištěn jeho konkrétní vliv. 16/21

Popis koncepčních a metodických postupů Rešerše Zpracování materiálu AlSi10Mg Hlubší zpracování Procesní parametry Vady materiálu Poznatky z diplomové práce Širší studium Technologie SLM Predikce pomocí MKP Mechanické vlastnosti / testování Reálné vlastnosti SLM materiálu AlSi10Mg Reálné vlastnosti SLM materiálu AlSi10Mg 17/21

Popis koncepčních a metodických postupů Výzkum procesních parametrů (výkon laseru, scaning speed, laser focus, hatch distance, výhřev komory) Objemové vzory - typ krátký prut, typ struktura Matice procesních parametrů s velkým rozsahem hledání optimální oblasti Posouzení vlivu jednotlivých parametrů na vady materiálu póry, trhliny, struktura (metalografické výbrusy, CT) Mechanické / rozměrové testování získaných parametrů (CT, Scanner, Zwick) 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 Reálné vlastnosti SLM materiálu AlSi10Mg 18/21

Popis koncepčních a metodických postupů Predikce Implementace poznatků z řešení MKP analýza 1) prut 2) struktura 3) speciální díl LS DYNA (MKP analýza rychlých dějů) Mechanické testování speciálního dílu Reálné vlastnosti SLM materiálu AlSi10Mg 19/21

Časový rozvrh a etapy řešení 20/21

Spolupráce s jinými institucemi Konzultace v rámci fakulty strojního inženýrství ústavem mechaniky těles predikce mechanických vlastností pomocí MKP ústavem materiálu materiálové testy energetického ústavu modelování vedení tepla při stavbě prutu pomocí MKP Konzultace s firmou L.K. Engineering, s.r.o. Konzultace v oblasti MKP analýzy Ing. Martin Komárek, Ph.D. Navázání spolupráce se zahraniční univerzitou / institucí Fraunhofer IPK Stáž na zahraniční univerzitě 21/21

Předpokládané náklady Výroba na zřízené SLM 280HL (materiálové náklady) 50 000 Kč Mechanické testování 20 000 Kč Konferenční poplatky a cestovné 90 000 Kč Stáž na zahraniční univerzitě 150 000 Kč Osobní náklady 350 000 Kč Celkem 660 000 Kč 22/21

Charakteristika předpokládaného výsledku řešení DP Průběžné publikování dosažených výsledků Preferované články v impaktovaných časopisech a databázi Scopus Snaha o přílohovou formu disertační práce Možné impaktované časopisy pro publikování výsledků: Rapid Prototyping Journal IF = 2,031 Journal of Laser Aplications IF = 1,798 Journal Of Sandwich Structures & Materials IF = 0,836 Modelling And Simulation In Materials Science And Engineering IF = 1,492 Journal Of Materials Processing Technology IF = 2,041 Materials & Design IF = 3,171 Journal Of Composite Materials IF = 1,257 23/21

Charakteristika předpokládaného výsledku řešení DP Dosud prezentované výsledky: KOUTNÝ, D.; VRÁNA, R.; PALOUŠEK, D. Dimensional accuracy of single beams of AlSi10Mg alloy and 316L stainless steel manufactured by SLM. In 5th International Conference on Additive Technologies icat2014. Ljubljana: Interesansa, 2014. s. 142-147. ISBN: 978-961-281-579- 0. ICMD 2015 Vrána, R.; Koukal, O.; Koutný, D.; Krejčí, P.; Paloušek, D. Device for Testing Impact Resistance of Lattice Structures Panels Produced by the Selective Laser Melting. In 56th International Conference of Machine Design Departments ICMD 2015 Přijato Euro PM2015 Congress & Exhibition (článek v databázi Scopus; recenzovaný článek) Vrána, R.; Paloušek, D.; Koutný, D.; Koukal, O.; Zikmund, T.; Krejčí, P. Impact resistance of lattice structure made by Selective Laser Melting technology Přijato 24/21

Děkuji za pozornost Radek Vrána Ústav konstruování Konstrukční inženýrství Fakulta strojního inženýrství Vysoké učení technické v Brně Obhajoba diplomové práce 25.června 2014, FSI VUT v Brně, Česká republika