Search

Tato disertační práce se zabývá vlivem předehřevu na výrobu komponent 3D tiskem kovů technologií Selective Laser Melting (SLM), také známou pod označením Laser Powder Bed Fusion (LPBF). V práci je obsažen přehled současného stavu poznání v oblasti realizace předehřevu a fyzikální podstaty předehřevu. Dále je v práci obsažen přehled vlivu předehřevu na konkrétní typy materiálů. Mezi tyto typy materiálů byly zařazeny titanové, intermetalické, niklové a hliníkové slitiny a měď. Z rešeršní části byly identifikovány perspektivní oblasti, které doposud nebyly dostatečně zkoumány, a kde by předehřev mohl vést k zefektivnění technologie LPBF a rozšíření oblasti zpracovatelných materiálů. Mezi tyto oblasti bylo zařazeno zkoumání vlivu předehřevu v kombinaci s dalšími procesními parametry na zbytková napětí u slitiny Ti6Al4V, vliv předehřevu na niklovou slitinu Inconel 939 a na měď. Předpokladem u Ti6Al4V a Inconelu 939 bylo, že předehřev sníží zbytková napětí a bude tak možné snížit množství podpůrných struktur během výroby, což by vedlo k zefektivnění technologie. Tato hypotéza byla zamítnuta, protože i přes snížení zbytkových napětí u Ti6Al4V nedošlo k jejich eliminaci a navíc, došlo k rychlé degradaci nepoužitého prášku, což zvyšuje náklady na výrobu. U Inconelu 939 dokonce zvýšená teplota vedla k vyšším deformacím, a tedy zbytkovým napětím v důsledku evoluce karbidické fáze. Další perspektivní oblastí, kde by předehřev mohl vést k zvýšení portfolia zpracovatelných materiálů, je měď. Měď je díky vysoké tepelné vodivosti a odrazivosti laserového záření považována za obtížně zpracovatelnou technologií LPBF. Z experimentů byl potvrzen velice pozitivní vliv předehřevu na relativní hustotu vzorků. Vzorky dosáhly hodnot relativní hustoty přes 99 % pokud byly tisknuty s předehřevem 400 °C. Bylo tedy experimentálně ověřeno, že předehřev může významně zlepšit zpracovatelnost skupiny materiálů, které mají nízkou pohltivost laserového záření a materiálů s vysokou teplenou vodivostí., This dissertation thesis deals with the influence of preheating on the components produced using Selective Laser Melting (SLM), also known as Laser Powder Bed Fusion (LPBF) technology. The thesis contains an overview of the current state of knowledge in the field of preheating and the physical nature of preheating. Furthermore, the work contains an overview of the effect of preheating on specific types of materials. These types of materials included in the state of the art are titanium, intermetallic, nickel and aluminium alloys, and copper. From the state of knowledge, promising research areas were identified, where preheating could lead to more efficient production using LPBF technology and to expansion of the area of processable materials. These areas include the investigation of the effect of preheating in combination with other process parameters on the residual stresses of Ti6Al4V alloy, the effect of preheating on nickel alloy Inconel 939 and copper. The premise of the Ti6Al4V and Inconel 939 topics was that preheating would reduce residual stresses, and thus will be possible to reduce the necessary amount of support structures. The results can lead to more cost-effective production using LPBF technology. This hypothesis was rejected. Despite the reduction in residual stresses in Ti6Al4V, they were not fully eliminated and, in addition, a rapid degradation of unused powder was detected, which increases production costs. The preheating of the Inconel 939, against the assumption based on behaviour of other materials, led to higher deformations and thus residual stresses, due to the evolution of precipitates. Another selected area where preheating could lead to an increase in the portfolio of processable materials is the processing of copper. Copper is a difficult to process material using LPBF technology due to its high thermal conductivity and laser reflectivity. The experiments confirmed a very positive effect of preheating on the relative density of the samp

Rozvoj aditivních technologií v posledních letech umožnil výrobu meta materiálů s porézní vnitřní architekturou zvaných mikro-prutové struktury z několika typů kovových slitin. Za pomoci těchto struktur je možné vyvíjet lehké komponenty s potenciálem v oblasti absorpce mechanické energie. Jejich implementací do deformačních zón vozidel může být docíleno zvýšení bezpečnosti posádky. Vlastnosti mikro-prutových struktur umožňují navrhnout absorbéry se specifickým typem chování, které redukuje přetížení působící na posádku vozidla v případě nehody. Pro využití těchto dílů pro specifické aplikace je nutné odhadnout jejich deformační chování. Nedávný výzkum ukázal, že základový materiál těchto struktur má odlišné vlastnosti v porovnání s konvenčními objemovými komponentami vyrobenými stejnou technologií. To znamená, že pro efektivní využití mikro-prutových struktur je zapotřebí matematicky přesně popsat jejich specifické vlastnosti a deformační charakteristiky. Nicméně matematický model, který by zahrnoval popis všech významných charakteristik deformace mikro-prutových struktur, není k dispozici. Proto se tato práce zaměřuje na vývoj nelineárního numerického modelu zatěžování mikro-prutových struktur se zahrnutím efektů spojených s nejvýznamnějšími geometrickými imperfekcemi, specifickými vlastnostmi multi-prutových vzorků a dynamickými efekty. Struktury jsou vyrobeny z hliníkové slitiny AlSi10Mg a nerezové oceli 316L s využitím technologie selektivního laserového tavení. Dva odlišné přístupy jsou použity k vytvoření modelu geometrie, což umožňuje detailní inspekci deformačního charakteru. Výsledky obou modelů potvrzují, že geometrické imperfekce spojené se změnou tvaru a velikosti průřezu prutu mají významný vliv na výsledné mechanické vlastnosti. Jejich zahrnutí do modelu geometrie zvyšuje přesnost výsledků simulace. Navíc mechanické vlastnosti mikro-prutových struktur stanovené pomocí multi-prutových vzorků výrazně lépe representují vlastnosti struktur pro kvazistatick, The development of additive technologies in recent years has enabled the manufacturing of metamaterials with porous internal architecture, called lattice structures, from several types of metal alloys. With these structures, it is possible to develop lightweight parts with potential in the field of mechanical energy absorption. Their implementation in vehicle deformation zones can increase the safety of passengers. The properties of structures allow to design absorbers with specific type of behavior which reduce the overload applied on the vehicle crew during an accident. To use these parts for specific applications, it is necessary to estimate their deformational behavior. Recent research has shown that the parent material of these structures has properties different from those of conventional bulk components produced by the same technologies. It means that, for efficient use of lattice structures, their specific properties and deformation characteristics must be accurately mathematically described. However, a mathematical model that would consider a description of all significant deformation characteristics of lattice structures is not available. Therefore, this thesis focuses on development of non-linear numerical model of lattice structures loading with inclusion of the most significant geometrical imperfections, specific properties of multi-strut samples and dynamic effects. The structures are made of aluminum alloy AlSi10Mg and stainless steel 316L using the selective laser melting technology. Two different finite element analysis approaches are used to create the geometry model that allows inspection of the deformation features in detail. The results of both models confirm that geometrical imperfections related to a change in shape and cross-sectional area of the strut have a significant impact on the resulting mechanical properties. Their inclusion in the geometry model improves the accuracy of the simulation results. Furthermore, the mechanical properties o

Tato disertační práce se zabývá vlivem předehřevu na výrobu komponent 3D tiskem kovů technologií Selective Laser Melting (SLM), také známou pod označením Laser Powder Bed Fusion (LPBF). V práci je obsažen přehled současného stavu poznání v oblasti realizace předehřevu a fyzikální podstaty předehřevu. Dále je v práci obsažen přehled vlivu předehřevu na konkrétní typy materiálů. Mezi tyto typy materiálů byly zařazeny titanové, intermetalické, niklové a hliníkové slitiny a měď. Z rešeršní části byly identifikovány perspektivní oblasti, které doposud nebyly dostatečně zkoumány, a kde by předehřev mohl vést k zefektivnění technologie LPBF a rozšíření oblasti zpracovatelných materiálů. Mezi tyto oblasti bylo zařazeno zkoumání vlivu předehřevu v kombinaci s dalšími procesními parametry na zbytková napětí u slitiny Ti6Al4V, vliv předehřevu na niklovou slitinu Inconel 939 a na měď. Předpokladem u Ti6Al4V a Inconelu 939 bylo, že předehřev sníží zbytková napětí a bude tak možné snížit množství podpůrných struktur během výroby, což by vedlo k zefektivnění technologie. Tato hypotéza byla zamítnuta, protože i přes snížení zbytkových napětí u Ti6Al4V nedošlo k jejich eliminaci a navíc, došlo k rychlé degradaci nepoužitého prášku, což zvyšuje náklady na výrobu. U Inconelu 939 dokonce zvýšená teplota vedla k vyšším deformacím, a tedy zbytkovým napětím v důsledku evoluce karbidické fáze. Další perspektivní oblastí, kde by předehřev mohl vést k zvýšení portfolia zpracovatelných materiálů, je měď. Měď je díky vysoké tepelné vodivosti a odrazivosti laserového záření považována za obtížně zpracovatelnou technologií LPBF. Z experimentů byl potvrzen velice pozitivní vliv předehřevu na relativní hustotu vzorků. Vzorky dosáhly hodnot relativní hustoty přes 99 % pokud byly tisknuty s předehřevem 400 °C. Bylo tedy experimentálně ověřeno, že předehřev může významně zlepšit zpracovatelnost skupiny materiálů, které mají nízkou pohltivost laserového záření a materiálů s vysokou teplenou vodivostí., This dissertation thesis deals with the influence of preheating on the components produced using Selective Laser Melting (SLM), also known as Laser Powder Bed Fusion (LPBF) technology. The thesis contains an overview of the current state of knowledge in the field of preheating and the physical nature of preheating. Furthermore, the work contains an overview of the effect of preheating on specific types of materials. These types of materials included in the state of the art are titanium, intermetallic, nickel and aluminium alloys, and copper. From the state of knowledge, promising research areas were identified, where preheating could lead to more efficient production using LPBF technology and to expansion of the area of processable materials. These areas include the investigation of the effect of preheating in combination with other process parameters on the residual stresses of Ti6Al4V alloy, the effect of preheating on nickel alloy Inconel 939 and copper. The premise of the Ti6Al4V and Inconel 939 topics was that preheating would reduce residual stresses, and thus will be possible to reduce the necessary amount of support structures. The results can lead to more cost-effective production using LPBF technology. This hypothesis was rejected. Despite the reduction in residual stresses in Ti6Al4V, they were not fully eliminated and, in addition, a rapid degradation of unused powder was detected, which increases production costs. The preheating of the Inconel 939, against the assumption based on behaviour of other materials, led to higher deformations and thus residual stresses, due to the evolution of precipitates. Another selected area where preheating could lead to an increase in the portfolio of processable materials is the processing of copper. Copper is a difficult to process material using LPBF technology due to its high thermal conductivity and laser reflectivity. The experiments confirmed a very positive effect of preheating on the relative density of the samp

Tato disertační práce se zabývá vlivem předehřevu na výrobu komponent 3D tiskem kovů technologií Selective Laser Melting (SLM), také známou pod označením Laser Powder Bed Fusion (LPBF). V práci je obsažen přehled současného stavu poznání v oblasti realizace předehřevu a fyzikální podstaty předehřevu. Dále je v práci obsažen přehled vlivu předehřevu na konkrétní typy materiálů. Mezi tyto typy materiálů byly zařazeny titanové, intermetalické, niklové a hliníkové slitiny a měď. Z rešeršní části byly identifikovány perspektivní oblasti, které doposud nebyly dostatečně zkoumány, a kde by předehřev mohl vést k zefektivnění technologie LPBF a rozšíření oblasti zpracovatelných materiálů. Mezi tyto oblasti bylo zařazeno zkoumání vlivu předehřevu v kombinaci s dalšími procesními parametry na zbytková napětí u slitiny Ti6Al4V, vliv předehřevu na niklovou slitinu Inconel 939 a na měď. Předpokladem u Ti6Al4V a Inconelu 939 bylo, že předehřev sníží zbytková napětí a bude tak možné snížit množství podpůrných struktur během výroby, což by vedlo k zefektivnění technologie. Tato hypotéza byla zamítnuta, protože i přes snížení zbytkových napětí u Ti6Al4V nedošlo k jejich eliminaci a navíc, došlo k rychlé degradaci nepoužitého prášku, což zvyšuje náklady na výrobu. U Inconelu 939 dokonce zvýšená teplota vedla k vyšším deformacím, a tedy zbytkovým napětím v důsledku evoluce karbidické fáze. Další perspektivní oblastí, kde by předehřev mohl vést k zvýšení portfolia zpracovatelných materiálů, je měď. Měď je díky vysoké tepelné vodivosti a odrazivosti laserového záření považována za obtížně zpracovatelnou technologií LPBF. Z experimentů byl potvrzen velice pozitivní vliv předehřevu na relativní hustotu vzorků. Vzorky dosáhly hodnot relativní hustoty přes 99 % pokud byly tisknuty s předehřevem 400 °C. Bylo tedy experimentálně ověřeno, že předehřev může významně zlepšit zpracovatelnost skupiny materiálů, které mají nízkou pohltivost laserového záření a materiálů s vysokou teplenou vodivostí., This dissertation thesis deals with the influence of preheating on the components produced using Selective Laser Melting (SLM), also known as Laser Powder Bed Fusion (LPBF) technology. The thesis contains an overview of the current state of knowledge in the field of preheating and the physical nature of preheating. Furthermore, the work contains an overview of the effect of preheating on specific types of materials. These types of materials included in the state of the art are titanium, intermetallic, nickel and aluminium alloys, and copper. From the state of knowledge, promising research areas were identified, where preheating could lead to more efficient production using LPBF technology and to expansion of the area of processable materials. These areas include the investigation of the effect of preheating in combination with other process parameters on the residual stresses of Ti6Al4V alloy, the effect of preheating on nickel alloy Inconel 939 and copper. The premise of the Ti6Al4V and Inconel 939 topics was that preheating would reduce residual stresses, and thus will be possible to reduce the necessary amount of support structures. The results can lead to more cost-effective production using LPBF technology. This hypothesis was rejected. Despite the reduction in residual stresses in Ti6Al4V, they were not fully eliminated and, in addition, a rapid degradation of unused powder was detected, which increases production costs. The preheating of the Inconel 939, against the assumption based on behaviour of other materials, led to higher deformations and thus residual stresses, due to the evolution of precipitates. Another selected area where preheating could lead to an increase in the portfolio of processable materials is the processing of copper. Copper is a difficult to process material using LPBF technology due to its high thermal conductivity and laser reflectivity. The experiments confirmed a very positive effect of preheating on the relative density of the samp

Rozvoj aditivních technologií v posledních letech umožnil výrobu meta materiálů s porézní vnitřní architekturou zvaných mikro-prutové struktury z několika typů kovových slitin. Za pomoci těchto struktur je možné vyvíjet lehké komponenty s potenciálem v oblasti absorpce mechanické energie. Jejich implementací do deformačních zón vozidel může být docíleno zvýšení bezpečnosti posádky. Vlastnosti mikro-prutových struktur umožňují navrhnout absorbéry se specifickým typem chování, které redukuje přetížení působící na posádku vozidla v případě nehody. Pro využití těchto dílů pro specifické aplikace je nutné odhadnout jejich deformační chování. Nedávný výzkum ukázal, že základový materiál těchto struktur má odlišné vlastnosti v porovnání s konvenčními objemovými komponentami vyrobenými stejnou technologií. To znamená, že pro efektivní využití mikro-prutových struktur je zapotřebí matematicky přesně popsat jejich specifické vlastnosti a deformační charakteristiky. Nicméně matematický model, který by zahrnoval popis všech významných charakteristik deformace mikro-prutových struktur, není k dispozici. Proto se tato práce zaměřuje na vývoj nelineárního numerického modelu zatěžování mikro-prutových struktur se zahrnutím efektů spojených s nejvýznamnějšími geometrickými imperfekcemi, specifickými vlastnostmi multi-prutových vzorků a dynamickými efekty. Struktury jsou vyrobeny z hliníkové slitiny AlSi10Mg a nerezové oceli 316L s využitím technologie selektivního laserového tavení. Dva odlišné přístupy jsou použity k vytvoření modelu geometrie, což umožňuje detailní inspekci deformačního charakteru. Výsledky obou modelů potvrzují, že geometrické imperfekce spojené se změnou tvaru a velikosti průřezu prutu mají významný vliv na výsledné mechanické vlastnosti. Jejich zahrnutí do modelu geometrie zvyšuje přesnost výsledků simulace. Navíc mechanické vlastnosti mikro-prutových struktur stanovené pomocí multi-prutových vzorků výrazně lépe representují vlastnosti struktur pro kvazistatick, The development of additive technologies in recent years has enabled the manufacturing of metamaterials with porous internal architecture, called lattice structures, from several types of metal alloys. With these structures, it is possible to develop lightweight parts with potential in the field of mechanical energy absorption. Their implementation in vehicle deformation zones can increase the safety of passengers. The properties of structures allow to design absorbers with specific type of behavior which reduce the overload applied on the vehicle crew during an accident. To use these parts for specific applications, it is necessary to estimate their deformational behavior. Recent research has shown that the parent material of these structures has properties different from those of conventional bulk components produced by the same technologies. It means that, for efficient use of lattice structures, their specific properties and deformation characteristics must be accurately mathematically described. However, a mathematical model that would consider a description of all significant deformation characteristics of lattice structures is not available. Therefore, this thesis focuses on development of non-linear numerical model of lattice structures loading with inclusion of the most significant geometrical imperfections, specific properties of multi-strut samples and dynamic effects. The structures are made of aluminum alloy AlSi10Mg and stainless steel 316L using the selective laser melting technology. Two different finite element analysis approaches are used to create the geometry model that allows inspection of the deformation features in detail. The results of both models confirm that geometrical imperfections related to a change in shape and cross-sectional area of the strut have a significant impact on the resulting mechanical properties. Their inclusion in the geometry model improves the accuracy of the simulation results. Furthermore, the mechanical properties o