Auswahl generativer prozessketten für die herstellung metallischer endprodukte

The application of generating processes for the creation of metal end-products can only be applied economically with small batch size and geometrically high-complex workpieces. This paper concerns the analytic evaluation of several additive methods and its process chains and compares these with traditional manufacturing technologies regarding the quality, processing time, expenses as well as the complexity of the product. The existing methods of process planning and the assurance of the quality are extended with a focus on the new manufacturing possibilities which can be realized by the application of additive processes.У даній статті розглядаються питання аналітичної оцінки процесу селективного спікання і його технологічних ланцюжків у порівнянні із традиційними технологіями виробництва. Критеріями порівняння є якість, час обробки, витрати, а також складність геометрії виробу. Існуючі методи планування й забезпечення якості повинні бути доповнені з урахуванням нових можливостей виготовлення виробів, які відкривають генеративні методи. Застосування генеративних технологій для виготовлення металевих кінцевих продуктів економічно обґрунтовано тільки для деталей зі складною геометрією й малим розміром

Thermal Stresses Associated with Part Overhang Geometry in Electron Beam Additive Manufacturing: Process Parameter Effects

For powder-bed electron beam additive manufacturing (EBAM), support structures are required when fabricating an overhang to prevent defects such as curling, which is due to the complex thermomechanical process in EBAM. In this study, finite element modeling is developed to simulate the thermomechanical process in EBAM in building overhang part. Thermomechanical characteristics such as thermal gradients and thermal stresses around the overhang build are evaluated and analyzed. The model is applied to evaluate process parameter effects on the severity of thermal stresses. The major results are summarized as follows. For a uniform set of process parameters, the overhang areas have a higher maximum temperature, a higher tensile stress, and a larger distortion than the areas above a solid substrate. A higher energy density input, e.g., a lower beam speed or a higher beam current may cause more severe curling at the overhang area.Mechanical Engineerin

Study of physical phenomena of selective laser melting towards increased productivity

This thesis presents an experimentally focused study of three of the key physical phenomena of the Selective Laser Melting (SLM) process. The SLM process increasingly gains momentum in industrial applications. As awareness of the process and its capabilities for the manufacturing of high performance objects increases, some of the current limitations of the process become more apparent. The SLM process is not a fully mature manufacturing process and there are still significant gains to be made in terms of material understanding, process optimization, final part prediction and quality control. The experimental study of the physical aspects contributes to the material understanding on a fundamental level but also provides the tools for facilitating future research. A link to practical applications is presented in a case study on evaluating the influence of beam movement patterns and on the identification of process instabilities for quality control. A broad literature survey covers the state of the art on improving the SLM process. The three physical phenomena which are the subject of this study are: the interaction of laser beam light with the material to be processed, the transport of heat within the material and the behavior of the molten material. These three phenomena take place under conditions which are unlike conventional production processes, in terms of energy intensity, thermal gradients and liquid (metal) dynamics. The laser-material interaction is characterized by the absorptance. An integrating sphere setup is integrated in an SLM machine to measure the absorptance of the material in the pristine and final state. Also the absorptance evolution is characterized. Results are available for Maraging 300 steel powder, silver powder and AlSi10Mg powder. The influence of surface oxidation and surface roughness is discussed. The heat transport within the powder bed is characterized by diffusion. The thermal diffusivity and thermal conductivity are measured using the flash method with a laser as the energy source. The implementation uses a special laser beam intensity profile and data processing by correlation with numerical simulations. Thermal diffusivity and conductivity values are included for Maraging 300 steel, silver and titanium. The results confirm the large difference between bulk and powder conductivity and the limited influence of the material type. The melt pool behavior is studied using an integrated coaxial vision system. This system uses a combination of sensors to monitor the radiation which is emitted by the melt pool and its surroundings. The implementation presents optimized timing and data processing protocols. The relation between the melt pool properties and the process stability is explained. A procedure is also developed for obtaining temperature field profiles of the melt pool

Механотронна система керування виплавкою титану

Цибрій Ю.О. Механотронна система керування виплавкою титану. - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.02 - Машинознавство. - Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», МОН України, Київ, 2018. Дисертаційна робота присвячена вирішенню науково-практичної задачі розробки механотронної системи керування виплавкою титанових зливків електронно-променевою плавкою, яка забезпечує підвищення ефективності роботи електронно-променевої установки завдяки ресурсо- та енергозбереженню при високій якості готових титанових зливків. В Україні промислове виробництво високоякісних титанових зливків пов’язане з вакуумно-дуговою, електрошлаковою, плазмовою та електронно-променевою плавкою. Остання вважається найбільш прогресивною технологією, завдяки високій степені очищення зливку від домішок, відсутності жорстких вимог по хімічному та фізичному складу шихтового матеріалу та можливість активного втручання в технологічний процес. Однак електронно-променева плавка має недостатньо високу продуктивність та є однією з найбільш енергозатратних. Через відсутність вимірювання температури титанового розплаву в проміжній ємності процес плавки суттєво залежить від вибору режиму обігріву оператором. Крім того, при витягуванні зливку з кристалізатора на його поверхні утворюються різноманітні дефекти, для усунення яких при обробці зливку втрачається до 10% його маси. Загальною причиною вищевказаних недоліків є неузгодженість керування процесом плавки, витягування зливку та подачі шихти в зону плавки. Тому розробка механотронної системи керування виплавкою титану при електронно-променевій плавці, яка узгоджує керування процесами виготовлення титанових зливків та підвищує їх ефективність шляхом зниження питомих енерговитрат та збільшення продуктивності виплавки, визначає мету дисертаційної роботи. Згідно поставленої мети при розробці механотронної системи для моделювання процесів в проміжній ємності електронно-променевої установки та напружено-деформованого стану мембран гідравлічного виконавчого мембранного механізму застосовано методи скінчених різниць та скінченних елементів. При моделюванні процесів в проміжній ємності використано метод дробових кроків рішення багатовимірних задач. При створенні алгоритмів керування траєкторією руху електронного променю в проміжній ємності та алгоритму витягування зливку з кристалізатора застосовані методи теорії автоматичного керування. Наукова новизна роботи дисертаційної роботи полягає в наступних положеннях: - вперше на основі розробленої нестаціонарної тривимірної математичної моделі тепло-масообміну в проміжній ємності при електронно-променевій плавці науково обґрунтовано застосування механотронної системи керування виплавкою титану, яка дозволяє обирати раціональні тепло-енергетичні характеристики процесу плавки титану з урахуванням подачі шихти та динаміки наплавлення зливку в кристалізаторі; - вперше на основі дослідження процесу плавки титану розроблено метод раціонального розподілу потужності обігріву розплаву в проміжній ємності електронно-променевої установки, за рахунок керування траєкторією руху електронного променю із зворотним зв’язком по температурі розплаву та положенню нерозплавленої шихти відносно зливного носка; - отримано залежності для вибору раціональних геометричних параметрів гідравлічного мембранного виконавчого механізму для подачі коливань на зливок в межах заданого ресурсу роботи, які враховують напружено-деформований стан сталевих мембран. Адекватність розробленої математичної моделі процесу в проміжній ємності, розрахунків напружено-деформованого стану мембрани, роботи алгоритмів керування траєкторією руху електронного променю та механотронної системи керування виплавкою титану вцілому підтверджена результатами моделювання, які були проведені за допомогою програмного пакету MATLAB, програмних пакетів інженерних розрахунків Ansys Mechanical APDL, Ansys Fluent та COMSOL Multiphysics. Розроблені комп’ютерні моделі можуть також бути використані для перевірки правильності вибору технологічних параметрів чи алгоритмів керування траєкторією руху електронного променю при плавці титанового розплаву в проміжній ємності, при виборі раціональних геометричних параметрів мембрани гідравлічного мембранного виконавчого механізму для забезпечення його необхідного ресурсу роботи. Практична цінність одержаних результатів полягає в наступному: - запропоновано механотронну систему керування виплавкою титану при електронно-променевій плавці зі зворотним зв’язком по температурі розплаву в проміжній ємності та по рівню розплаву в кристалізаторі, яка дозволяє, у порівнянні з ручним керуванням, підвищити на 18% ефективність роботи, у тому числі зменшити на 14% енергоспоживання, збільшити на 16% продуктивність виплавки та знизити втрати маси зливку при обробці поверхні до 7%; - розроблено алгоритм керування траєкторією руху електронного променю в ПЄ зі зворотним зв’язком по температурі за допомогою тепловізора, який дозволяє отримати однорідні температурні поля в діапазоні 1950…2200 К, розрахувати швидкість подачі шихти в зону плавки, і як результат – отримати зливок з необхідним хімічним складом; - запропоновано спосіб витягування зливку з кристалізатора з подачею додаткових коливань на нього (патент № 91877 України), який дозволяє за допомогою гвинтової передачі та гідравлічного мембранного виконавчого механізму здійснювати грубе та точне регулювання рівня розплаву в кристалізаторі, завдяки чому зменшується вірогідність розриву поверхні та отримання гофрів на готових зливках і знижуються втрати матеріалу при подальшій обробці зливків; - розроблено та запатентована конструкцію гідравлічного мембранного виконавчого механізму (патент № 91889 України) і запропоновано інженерну методику вибору його раціональних геометричних параметрів на основі розрахунку напружено-деформованого стану мембрани. Використання запропонованого способу керування траєкторією руху електронним променем при одночасні роботі декількох електронно-променевих гармат в процесі обігріву в проміжній ємності забезпечує підвищення витрати титанового розплаву в необхідному температурному діапазоні в кристалізатор, що дозволяє скоротити час на наплавлення зливку. Одержані в роботі практичні результати прийняті до впровадження на підприємствах ДП НВЦ «Титан» ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАН України (Київ) та ТОВ «Стратегія БМ» (Київ). Запропонована інженерна методика вибору раціональних геометричних параметрів, яка дозволяє оцінити довговічність існуючих і підвищити довговічність нових приводів подачі коливань, прийнята до впровадження на підприємстві ДНВК «КІА» (Київ). Новизну результатів дослідження захищено 2-ма патентами України на корисні моделі, зокрема системи витягування зливку з кристалізатору (Патент № 91877 України), а також конструкції гідравлічного мембранного виконавчого механізму двосторонньої дії (Патент № 91889 України). Результати дисертаційної роботи впроваджені в навчальний процес: кафедри прикладної механіки та машин Київського національного університету технології та дизайну при викладанні курсу «Мехатроніка в галузевому машинобудуванні» та «САМ-технології комп’ютерно-інтегрованого обладнання»; кафедри машинознавства Національного авіаційного університету при викладанні курсу «Details of Machines» та «Основи конструювання»; кафедри прикладної гідроаеромеханіки та механотроніки Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського» при викладанні лекційного курсу «Особливості проектування систем гідроавтоматики» та в курсі лабораторних робіт з дисципліни «Мікропроцесорне управління мехатронних модулів та систем».Tsibrii I.O. Mechatronic control system for melting titanium. - Qualification scientific work on the rights of manuscripts. Thesis for the degree of Candidate of Technical Sciences in the specialty 05.02.02 - Engineering Science. - National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute" MES of Ukraine, Kyiv, 2018. The thesis is devoted to the increase of efficiency of the process of titanium ingot`s production, which increases the productivity of melting, improves the quality of ingots by developing of the mechatronic control system for electron beam melting with molten metal`s temperature in the intermediate capacity and melt`s level in crystallizer feedback. In Ukraine, the industrial production of high-quality titanium ingots is associated with vacuum-arc, electroslag, plasma and electron beam melting. The latter is considered to be the most advanced technology, due to the high degree of purification of ingot from impurities, the lack of strict requirements for the chemical and physical composition of charge material and the possibility of active intervention in the technological process. However, electron beam melting has not high enough productivity and is one of the most energy-consuming. Due to the lack of measurement of the titanium melt`s temperature in the intermediate capacity, the process of melting significantly depends on the choice of the heating mode by the operator. In addition, during ingot`s pulling-out from the crystallizer the various defects are formed on its surface, for elimination of which is lost to 10% of ingot`s mass during its processing. The common cause of the above disadvantages is the inconsistency of the control`s process of melting, ingot`s pulling-out and charge supply into the melting area. Therefore, the development of a mechatronic control system for the titanium melting by electron beam melting, which coordinates the control of titanium ingot production and increases their efficiency by reducing specific energy consumption and increasing the productivity of the melting, determines the purpose of the dissertation work. According to the stated purpose, the methods of finite element and the method of finite-difference are used in the development of a mechatronic system for the simulation of processes in the intermediate capacity of the electron beam unit and the membranes stress-strain state of the hydraulic executable membrane mechanism. During the simulation of the processes in the intermediate capacity, the method of fractional steps for solving multidimensional problems is used. During the creating of the algorithms for controlling the trajectory of the motion of an electron beam in the intermediate capacitance and the algorithm for ingot`s pulling-out from the crystallizer, the methods of the theory of automatic control are used. The scientific novelty of the dissertation work consists in the following principles: - for the first time on the basis of the developed non-stationary three-dimensional mathematical model of heat-mass transfer with electron beam melting in the intermediate capacity, the application of the mechatronic control system for titanium melting was scientifically substantiated, which allows to choose the rational heat-energy characteristics of the titanium melting taking into account the charge supply and the dynamics of ingot`s surfacing into the crystallizer; - for the first time, on the basis of the study of the regularities of the titanium melting process, a method for rational distribution of the melt heating in the intermediate capacity of the electron-beam unit was developed, due to the control of the trajectory of electron beam motion with the temperature of the melt feedback and the position of the unmelted charge relative to the drain sock; - dependencies were obtained for choosing rational geometric parameters of the steel membrane of the hydraulic executable mechanism, which take into account the stress and strain state of the membrane and its required durability. The adequacy of the developed mathematical model of the process in the intermediate capacity, the calculations of the stress-strain state of the membrane, the work of the algorithms for control of the trajectory of the electron beam`s motion and the mechatronic control system for titanium melting is generally confirmed by the simulation results that were performed using the software package MATLAB, Ansys Mechanical APDL, Ansys Fluent and COMSOL Multiphysics. The developed computer models may also be used to verify the correctness of the choice of technological parameters or algorithms for control of the trajectory of the electron beam`s motion during titanium melt in the intermediate capacity, or during the choice the rational geometric parameters of the membrane of hydraulic executable membrane mechanism to provide its required work life. The practical importance of the results obtained is as follows: - for the first time a mechatronic control system for the titanium melting for electron beam melting with molten metal`s temperature in the intermediate capacity and melt`s level in crystallizer feedback was developed, which allows, in comparison with manual control, to increase efficiency by 18%, including 14% decrease of power consumption, increase the productivity of melting by 16% and reduce the ingot`s weight loss during the next surface treatment up to 7%; - the control system of the trajectory of the electron beam`s motion in the intermediate capacity with temperature feedback with the aid of a thermal imager is proposed and the algorithm for control of the trajectory of the electron beam`s motion is proposed, which allows to obtain uniform temperature fields in the range 1950…2200 K, to determine the input of the charge supply to the melting zone and as the result to obtain ingots with the necessary chemical composition; - the method of the ingot pulling-out from the crystallizer with additional oscillations on ingot is offered, which allows: using a screw drive and hydraulic executable membrane mechanism to carry out rough and precise regulation of the melt level in the crystallizer; to reduce the rupture`s probability of the surface and to reduce of the ingot`s surface imperfection carrying out on finished ingots; to predict decrease to 7% of material loss during next ingot`s treatment. - the design of hydraulic executable membrane mechanism`s membranes is developed and the engineering method of choice of their rational geometric parameters is proposed. The use of the proposed method of control of the trajectory of electron beam motion during simultaneous work of several electron beam guns during the heating process in the intermediate capacity provides an increase the flow of titanium melt into the crystallizer with required temperature range, which reduces the time for the ingot`s producing. The practical results which obtained in the dissertation are accepted for implementation at the enterprises of SIC "Titan" the E.O. Paton electric welding institute of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv and LLC "Stratehiya Bm", Kyiv. The proposed engineering method of rational geometric parameters choice, which allows to assess the durability of existing and improve the durability of new oscillation drives, is adopted for implementation at the SSPC “Kyiv Institute of Automatics”. The novelty of the research results is protected by 2 patents of Ukraine on utility models, in particular, the system of ingots pulling-out from the crystallizer (Patent № 91877 of Ukraine), as well as designs of a hydraulic membrane actuating mechanism of double-direction action (Patent № 91889 of Ukraine). The results of the dissertation work were introduced into the educational process: at the Department of applied mechanics and machines of the Kyiv National University of Technology and Design at the teaching of the courses "Mechatronics in industrial engineering " and "CAM-technologies of computer-integrated equipment"; at the Department of Science of Machine of the National Aviation University at the course "Details of Machines" and "Fundamentals of Design"; at the Department of Applied Hydroaeromechanics and Mechanotronics of the National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute" at the lecture course "Features of the hydroautomatics systems design" and at the course of laboratory work of course "Microprocessor controll of mechatronic modules and systems"

Crack propagation resistance in fracture and fatigue of laser powder bed fusion manufactured titanium alloys

Laser powder bed fusion (LPBF) technology has become increasingly prominent because of its ability to precisely produce complex geometries. Recently, titanium alloys manufactured by LPBF have gained significant interest in critical aerospace and biomedical applications where resistance to fracture and fatigue is of key importance. Accordingly, this study focuses on understanding the fatigue crack propagation and fracture toughness behaviour of titanium alloys manufactured by LPBF. In this study, two types of titanium alloy (α and α+β) were selected to examine the roles of build orientation and post heat treatments on the fatigue crack growth (FCG) and fracture toughness properties. Tensile and fatigue crack growth behaviour of a LPBF manufactured Ti-6Al-4V (α+β) alloy was investigated in the as-built condition as well as after heat treatments that included hot isostatic pressing (HIP) below the β-transus at 820°C or 950°C and furnace annealing above the β-transus temperature at 1020°C. However, fracture toughness was not evaluated for Ti-6Al-4V in this study because it has been reported in several previous works in detailed. Three build orientations were selected such that the build directions were oriented at 0°, 45°, and 90° to the applied loading direction. Microstructure characterization (optical microscopy, electron microscopy, and electron backscatter diffraction) was carried out to understand how microstructural features affected the mechanical properties. FCG testing was conducted with a load ratio of 0.1 and sine wave cyclic frequency of 60 Hz. While mild strength anisotropy was observed with build orientation for as-built samples and after the lower temperature heat treatments, the strength became fully isotropic after annealing above the β-transus temperature. In contrast, texture and build orientation had little influence on FCG resistance for all heat treatments. Rather, FCG resistance was mainly controlled by the α'/α lath thickness where coarser lath thickness resulted in higher fatigue thresholds and better FCG resistance at moderate to low growth rates less than ~10^-7 m/cycle. The fatigue threshold was primarily defined by the ability to transfer slip from one α'/α lath to another, although the coarser microstructures also promoted high crack path tortuosity and roughness induced crack closure. At higher stress intensities, the fatigue crack growth rate curve showed a bilinear shape that is characteristic of basketweave and lamellar Ti-6Al-4V microstructures, with the transition from microstructure sensitive to microstructure insensitive FCG occurring where the packet/colony size equalled the cyclic plastic zone size. Next, commercially pure titanium (CP-Ti) alloy manufactured by LPBF from grade-2 powder was studied to determine the effect of build orientation and post-heat treatment on tensile and fatigue crack growth (FCG) behaviour. For this purpose, two different HIP temperatures, either above (950°C) and below (730°C) the β-transus temperature, and two orthogonal build orientations were selected. In order to compare the properties, grade-2 wrought CP-Ti was also examined. LPBF processed as-built samples achieved higher strength but showed lower ductility compared to wrought samples due to higher oxygen and nitrogen content. As-built tensile strength showed anisotropic character attributed to higher nitrogen content in one build orientation due to fluctuation of thermal histories. HIP healed defects and coarsened the α grain structure, which in turn decreased the tensile strength and enhanced the fatigue crack growth threshold. While a trend of higher threshold with increasing grain size was found, no influence of build orientation on the FCG behaviour was found for both as-built and HIP treated LPBF produced samples. In contrast, the strongly textured wrought samples displayed significant anisotropy in the fatigue threshold. At faster growth rates, the stage-II Paris crack growth region showed a bilinear shape in the fatigue crack growth rate curve similar to Ti-6Al-4V. The bilinear transition occurred approximately when the cyclic plastic zone size engulfed the average grain size. Fracture toughness experiments were also carried out for LPBF manufactured from grade-2 CP-Ti powder with the same build orientations and HIP treatments described above. The CP-Ti samples, both before and after HIP did not experience any stable crack extension, but satisfied unstable fracture toughness Jc values for all groups except HIP 730 sample where crack growth and LPBF build directions were parallel (named X-Z). For the HIP 730 X-Z samples, qualified values of the Ju unstable fracture toughness were measured. Isotropic fracture toughness with similar fracture surfaces was exhibited by the as-built samples for the two orthogonal orientations. However, compared to HIP samples, as-built showed relatively lower toughness due to the fine, martensitic microstructure. Fracture toughness anisotropy was observed after HIP, where X-Z orientated samples had significantly higher toughness compared to Z-X orientated samples where the crack growth and LPBF build directions were perpendicular to each other. The anisotropy was mainly attributed to the presence of crystallographic texture. Despite applying two different temperatures of HIP, all groups for the Z-X orientation showed almost identical fracture toughness. This can be explained by counter balancing effect, where increasing grain size due to HIP decreased material strength while increasing the amount of brittle cleavage fracture. Considering the X-Z orientated samples, the maximum fracture toughness (Kju = 130.6 MPa√m) was obtained by HIP 730 X-Z whereas HIP 950 X-Z achieved lower toughness of 59.9 MPa√m because cleavage fracture increased for the larger grain size. The comparatively higher toughness for X-Z orientated samples relative to Z-X was due to the presence of grains orientated such that their c-axis was parallel to loading direction. As a consequence, symmetric pyramidal slip can be activated around the crack plane enhances crack tip deformation and crack bifurcation

Etude de l'oxydation à chaud d'échantillons en alliage TA6V élaborés par fabrication additive. Conséquences sur les propriétés mécaniques.

En associant fabrication additive (FA) et usage des alliages de titane, d’importantes réductions de masse et de coût sont possibles dans l’aéronautique et le spatial. Mais lorsque les alliages de Ti sont utilisés à des températures de plusieurs centaines de degrés, cela peut entrainer une fragilisation par l’oxygène. Dans cette thèse, le comportement en oxydation ainsi que l’influence de la FA et de l’oxydation sur les propriétés mécaniques de l’alliage de titane TA6V élaboré par LBM et EBM ont été étudiés. Des oxydations ont été effectuées de 400 à 600 °C pour des durées de 25 à 10 000 h. La cinétique globale d’oxydation, la croissance de la couche d’oxyde et la diffusion de l’oxygène dans le métal ont été caractérisées. Quatre méthodes de caractérisation de la diffusion de l’oxygène dans le métal ont été comparées. Il a été observé que l’oxydation des grains de poudre présents à la surface des échantillons bruts de FA augmente les gains de masse de façon importante. Cependant, il a été montré que la rugosité élevée des pièces de FA ainsi que l’importante modification de microstructure induite par le traitement CIC, n’ont pas d’influence sur la croissance de la couche d’oxyde ainsi que sur la diffusion de l’oxygène dans le métal. L’utilisation de l’analyse thermogravimétrique anistoherme a permis d’obtenir les cinétiques d’oxydation de 450 à 1000 °C en une seule expérience. Il a ainsi été montré que les cinétiques d’oxydation des TA6V LBM et EBM sont proches d’un TA6V conventionnel et des données de la littérature. Le gain de masse plus élevé du TA6V comparé au Ti6242 provient de la couche d’oxyde plus épaisse alors que la zone de diffusion de l’oxygène est équivalente. Cette zone de diffusion de l’oxygène se fissure durant les essais de traction et réduit légèrement la ductilité des éprouvettes de 1,3 mm d’épaisseur oxydées 2 000 h à 500 et 538 °C et 500 h à 600 °C. Dans les conditions d’oxydation étudiées, les cinétiques d’oxydation des TA6V LBM, EBM et conventionnel sont proches, et l’oxydation influence peu les propriétés mécaniques en traction à température ambiante