Valikoivan lasersulatuksen vaikutus Ti-6Al-4V-titaaniseoksen mekaaniseen suorituskykyyn

Abstract

Ainetta lisäävä valmistus (engl. additive manufacturing, AM) on moderni valmistustekniikka, jossa kappaleet valmistetaan suoraan 3D-mallin perusteella, lisäämällä materiaalia kerros kerrokselta. Valikoiva lasersulatus (engl. selective laser melting, SLM) on tehokas metallien ainetta lisäävä valmistustekniikka, jonka suurimpia etuja koneenrakennuksessa ovat muun muassa geometrinen joustavuus, ylivoimainen suunnittelun vapaus, materiaalihukan vähentäminen ja nopea prototyyppien valmistus. Menetelmän käyttöön liittyy myös haasteita, koska valmistettavien kappaleiden mekaanisia ominaisuuksia on vaikeaa ennustaa. AM-valmistusprosessi ja prosessiparametrit vaikuttavat materiaalin käytökseen, eikä historian aikana kertynyttä tietoa perinteisistä valmistusmenetelmistä voida soveltaa. Kestävien rakenteiden valmistaminen tehokkaasti, ekologisesti ja kustannustehokkaasti on haastava tehtävä, jonka merkitys korostuu tulevaisuuden insinöörityössä. Tämän työn näkökulmana analysoitiin, miten valikoivan lasersulatuksen valmistusprosessi ja prosessiparametrit vaikuttavat Ti-6Al-4V-titaaniseoksen mekaaniseen suorituskykyyn. Työ on luonteeltaan kirjallisuuskatsaus, jonka avulla pyrittiin vastaamaan, miten Ti-6Al-4V-konerakenteiden mekaanista suorituskykyä voidaan optimoida. Työ koostuu kolmesta osasta. Työn ensimmäisessä osassa käsitellään valikoivan lasersulatuksen toimintaperiaatetta, menetelmän laitteistoa, menetelmään liittyviä yleisimpiä virheitä sekä titaanin soveltuvuutta tähän valmistusmenetelmään. Työn toisessa osassa analysoidaan valikoivan lasersulatuksen energia-, skannaus- ja jälkikäsittelyparametreja. Kattavaa aineistoa käyttäen työn toisessa osassa pyritään tunnistamaan valmistusprosessista merkittäviä prosessiparametrien valintakriteerejä, joita noudattamalla voidaan valmistaa kestäviä rakenteita säännöllisemmin. Työn kolmannessa osassa käydään läpi analyysin perusteella saadut tulokset ja prosessiparametrien valintakriteerit. Tutkimuksen perusteella voidaan todeta, että tärkein mekaaniseen suorituskykyyn vaikuttava tekijä on valmistettavien rakenteiden tiheys. Tiheyden ohella isotrooppiset materiaaliominaisuudet tukevat merkittävästi rakenteiden mekaanista suorituskykyä. Korkean tiheyden ja isotrooppisien materiaaliominaisuuksien avulla on mahdollista saavuttaa korkea myötö- ja murtolujuus, sitkeys sekä väsymisenkesto. Huolellisesti optimoitujen prosessiparametrien avulla valmistettujen SLM-tulosteiden mekaaniset ominaisuudet ylittävät perinteisillä valmistusmenetelmillä valmistettujen kappaleiden mekaaniset ominaisuudet.

Additive manufacturing (AM) is a modern manufacturing technique where parts are made directly from a 3D model by adding material layer by layer. Selective laser melting (SLM) is an efficient additive manufacturing technique for metals, which main advantages in mechanical engineering include geometric flexibility, superior freedom of design, reduced material wastage and rapid prototyping. It also presents challenges due to the difficulty in predicting the mechanical properties of the manufactured parts. The AM-manufacturing process and process parameters affect material behavior, and the knowledge accumulated historically from traditional manufacturing methods cannot be applied. Manufacturing durable structures efficiently, ecologically and cost-effectively is a challenging task that will become even more important in future engineering. The perspective of this work was to analyze how the manufacturing process and process parameters of selective laser melting affect the mechanical performance of Ti-6Al-4V. This work is a literature review, which aims to answer the question of how to optimize the mechanical performance of Ti-6Al-4V machine structures. The work consists of three parts. The first part of the work deals with the principle of selective laser melting, the equipment used in the process, the most common defects associated with the process, and the suitability of Titanium for SLM-process. The second part of the thesis analyses the energy, scanning, and post-processing parameters of selective laser melting. Using comprehensive data, the second part of the work aims to identify important process parameter selection criteria in the manufacturing process that can be used to produce durable structures more regularly. In the third part of the work, the results of the analysis and the selection criteria for the process parameters are discussed. The study shows that the main factor influencing mechanical performance is density. High density and isotropic material properties make it possible to achieve high yield and fracture strength, toughness, and fatigue resistance. The mechanical properties of SLM-parts produced with carefully optimized process parameters exceed those parts produced by conventional manufacturing methods.