Laserjauhepetimenetelmien tulostusparametrien vaikutus metallisiin tulosteisiin
Korhonen, Ville (2023)
2023
Tekniikan ja luonnontieteiden kandidaattiohjelma - Bachelor's Programme in Engineering and Natural Sciences
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2023-08-10
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202306196841
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202306196841
Tiivistelmä
Tässä työssä perehdytään laserjauhepetimenetelmiin (LPBF, Laser Powder Bed Fusion) metallisten kappaleiden ainetta lisäävässä valmistuksessa. Laserjauhepetimenetelmissä jauhemaista raaka-ainetta sulatetaan tai sintrataan yhteen kerroksittain lasersäteellä. Menetelmät ovat alun perin kehitetty 1990-luvulla, mutta ne ovat kehittyneet merkittävästi ja yleistyneet teolliseen käyttöön 2010-luvulla. LPBF-menetelmien avulla voidaan valmistaa monimutkaisia kappaleita, joiden valmistus olisi muuten mahdotonta tai erittäin haastavaa.
LPBF-menetelmät ovat monimutkaisia ja niissä voi olla yli 100 säädettävää parametria. Menetelmien ollessa uusia verrattuna tavanomaisiin valmistustapoihin niissä on paljon kehitettävää. Parametrien vaikutus tulostuvan kappaleen ominaisuuksin on kriittistä ymmärtää, jotta voidaan kehittää laadukkaampia kappaleita sekä prosessin tehokkuutta.
Tämä kirjallisuuskatsaus koostuu kolmesta osa-alueesta. Alussa tarkastellaan LPBF-laitteiston rakennetta, menetelmien eroja ja prosessin toimintatapaa. Toisessa osassa perehdytään tulostusprosessissa käytettäviin materiaaleihin ja niiden vaatimuksiin. Kolmannessa osas-sa perehdytään LPBF-menetelmien prosessiparametreihin, skannausstrategiaan sekä syntyviin vikoihin ja mikrorakenteeseen. Työn tarkoituksena on selventää tulostusparametrien ja kappaleen rakenteen, mekaanisten ominaisuuksien sekä syntyvien vikojen välistä yhteyttä laadukkaampien kappaleiden tuottamiseksi.
Työssä huomataan jauheen ominaisuuksien olevan merkittävin prosessiparametri, jotta saavutetaan tasalaatuinen tuloste. Materiaalivaihtoehdot ovat rajattuja prosessissa herkkien seosaineiden haihtumisreaktioiden vuoksi. Materiaalit ovat kalliita verrattuna tavanomaisiin menetelmiin. Skannausnopeus, kerrospaksuus, laserin teho ja skannausväli muodostavat laskennallisen energiatiheyden, jonka avulla voidaan arvioida sopivia prosessiparametreja. Liian suuri energiatiheys voi aiheuttaa haihtumisreaktioita sekä keyhole-huokoisuutta. Liian matala energiatiheys voi aiheuttaa puutteellisesta sulamisesta aiheutuvaa lack-of-fusion huokoisuutta, joka aiheuttaa skannauspolkujen ja kerrosten välistä heikkoutta. Lisäksi huomataan LPBF-menetelmissä syntyvän mikrorakenteen olevan yleisimmin pylväsmäinen tai tasakantainen dendriittinen. Suuntautuneen pylväsmäisen rakenteen voi aiheuttaa liian suuri jähmettymisnopeus tai lämpötilagradientti.
LPBF-menetelmät ovat monimutkaisia ja niissä voi olla yli 100 säädettävää parametria. Menetelmien ollessa uusia verrattuna tavanomaisiin valmistustapoihin niissä on paljon kehitettävää. Parametrien vaikutus tulostuvan kappaleen ominaisuuksin on kriittistä ymmärtää, jotta voidaan kehittää laadukkaampia kappaleita sekä prosessin tehokkuutta.
Tämä kirjallisuuskatsaus koostuu kolmesta osa-alueesta. Alussa tarkastellaan LPBF-laitteiston rakennetta, menetelmien eroja ja prosessin toimintatapaa. Toisessa osassa perehdytään tulostusprosessissa käytettäviin materiaaleihin ja niiden vaatimuksiin. Kolmannessa osas-sa perehdytään LPBF-menetelmien prosessiparametreihin, skannausstrategiaan sekä syntyviin vikoihin ja mikrorakenteeseen. Työn tarkoituksena on selventää tulostusparametrien ja kappaleen rakenteen, mekaanisten ominaisuuksien sekä syntyvien vikojen välistä yhteyttä laadukkaampien kappaleiden tuottamiseksi.
Työssä huomataan jauheen ominaisuuksien olevan merkittävin prosessiparametri, jotta saavutetaan tasalaatuinen tuloste. Materiaalivaihtoehdot ovat rajattuja prosessissa herkkien seosaineiden haihtumisreaktioiden vuoksi. Materiaalit ovat kalliita verrattuna tavanomaisiin menetelmiin. Skannausnopeus, kerrospaksuus, laserin teho ja skannausväli muodostavat laskennallisen energiatiheyden, jonka avulla voidaan arvioida sopivia prosessiparametreja. Liian suuri energiatiheys voi aiheuttaa haihtumisreaktioita sekä keyhole-huokoisuutta. Liian matala energiatiheys voi aiheuttaa puutteellisesta sulamisesta aiheutuvaa lack-of-fusion huokoisuutta, joka aiheuttaa skannauspolkujen ja kerrosten välistä heikkoutta. Lisäksi huomataan LPBF-menetelmissä syntyvän mikrorakenteen olevan yleisimmin pylväsmäinen tai tasakantainen dendriittinen. Suuntautuneen pylväsmäisen rakenteen voi aiheuttaa liian suuri jähmettymisnopeus tai lämpötilagradientti.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [8918]