The research topic of this Doctoral Thesis focuses on the experimental and theoretical study of the Additive Manufacturing process by laser known as Directed Energy Deposition of Laser Powder (DED/LP).
For the development of the DED/LP process, a laser is required as an energy source to melt powder, applied to a surface in order to obtain coatings and/or structures with identical or improved properties with respect to the base material, with minimal thermal impact on it, obtaining minimum distortions and stresses in the DED/LP parts.
This process is primarily used in the repair of high-value metal components. Some examples include gear tooth repair from high-value industrial machinery; surface coating to restore part dimensions or improve mechanical properties; and the manufacturing of complex geometries in sectors such as aeronautics or mold and die manufacturing.
This work has focused on high-input powder flow rates, resulting in a more productive process and improving its industrial potential. However, DED/LP technology for 3D part manufacturing is somewhat complex due to the number of variables affecting the process, which, in turn, directly influence the thermal cycles the deposited material undergoes during manufacturing, layer after layer. Therefore, the DED/LP process in this work aims to understand the thermal evolution of a high flow rate of material to be melted, with a relatively large molten pool, and associate it with the microstructure obtained from the consolidated material.
The fundamental objective of this doctoral thesis is the analysis and optimization of process parameters (power, process speed, powder flow rate, gas flow rates, etc.) with powder material, consolidating it in a straight path to obtain beads. For this purpose, a representative material of a significant number of applications, such as AISI 316L stainless steel, has been used. Through metallographic analysis of the cross sections of the beads, results have been obtained to validate the process parameters, synthesizing them in process working windows.
Next step has been analysed the process parameters that affects in the melt pool consolidation, including both the percentage of lateral overlap and the height increment for the next layer.
With all the prior information, mono-clad walls (one clad on top of the other) were fabricated to study their microstructural behaviour. This knowledge was also applied to the development of a numerical model of a virtual mono-clad wall using Comsol Multiphysics to analyse thermal gradients and cooling rates and, thus, understand the thermal evolution of the consolidated AISI 316L material.
Combining the microstructural information of the real part and the thermal evolution of the virtual wall of the model, it is observed throughout the part that the proximity of the substrate and the heat treatment suffered layer after layer influences the evolution of the morphology of the grains and the percentage of delta ferrite retained in the austenite.
On the other hand, the mechanical properties of the consolidated material have been characterized using DED/LP technology, under the corresponding standards of the tests performed, in this case, tensile and fatigue tests.
While the course of the presented work, this knowledge has been applied to industrial developments, as the DED/LP technique developed has represented a significant scientific and technical advance. Examples of this are the various industrial applications carried out at IKERGUNE A.I.E. facilities, such as part repair and coatings to improve the mechanical properties of surfaces.
The experimental part was carried out at the facilities of IKERGUNE A.I.E. (www.ikergune.com), the R&D&I unit of the INZU Group (www.inzugroup.com), which develops technological solutions and provides technical support to the group’s companies. The theoretical part was carried out in collaboration with the Department of Applied Physics at the ETSII of the University of Madrid.
RESUMEN
El tema de investigación de la presente Tesis Doctoral se centra en el estudio experimental y teórico del proceso de Fabricación Aditiva por láser conocido como Directed Energy Deposition of Laser Powder (DED/LP).
Para el desarrollo del proceso DED/LP se requiere un láser como fuente de energía para fundir polvo, aportado sobre una superficie con el fin de obtener recubrimientos y/o estructuras con propiedades idénticas o mejoradas con respecto al material base, con una afectación térmica mínima en éste, obteniendo distorsiones y tensiones mínimas en las piezas DED/LP.
Principalmente, este proceso se utiliza en la reparación de componentes metálicos de alto valor añadido. Algunos ejemplos son la reparación de dientes de un engranaje, de maquinaria industrial pesada; el recubrimiento de superficies, para recuperar dimensiones de piezas desgastadas o para mejorar las propiedades mecánicas superficiales; así como la fabricación de geometrías complejas en sectores como el aeronáutico o el de moldes y troqueles.
Este trabajo se ha focalizado en tasas de flujos de polvo de alto aporte, dando lugar a un proceso más productivo, mejorando su potencial industrial. Sin embargo, la tecnología DED/LP para la fabricación de piezas 3D tiene cierta complejidad debida a la cantidad de variables que afectan al proceso que, a su vez, influyen directamente en los ciclos térmicos que sufre el material depositado durante su fabricación, capa tras capa. Por lo tanto, el proceso DED/LP de este trabajo tiene como objeto comprender la evolución térmica de una tasa alta de material a fundir, con un baño fundido relativamente grande, y asociándola a la microestructura obtenida del material consolidado.
El objetivo fundamental de la tesis doctoral es el análisis y optimización de los parámetros de proceso (potencia, velocidad de proceso, flujo de polvo, caudales de gas, etc.) con material en polvo consolidándolo en una trayectoria recta para obtener cordones, para ello se ha utilizado un material representativo de un número importante de aplicaciones, como es acero inoxidable AISI 316L.Mediante un análisis metalográfico, de las secciones transversales de los cordones, se han obtenido los resultados para validar los parámetros de proceso, sintetizándolos en ventanas de trabajo de proceso.
A continuación, se ha procedido al análisis de los parámetros que afectan a la unión de cordones, tanto el porcentaje de solapamiento lateral, como el incremento de altura para la siguiente capa.
Con toda la información previa, se ha procedido a fabricar paredes mono-cordón (un cordón encima de otro) para estudiar su comportamiento microestructural. Por otro lado, también se aplica dicho conocimiento para el desarrollo de un modelo numérico de una pared mono-cordón virtual con Comsol Multiphysics, para analizar los gradientes térmicos y las velocidades de enfriamiento, y así comprender la evolución térmica del material consolidado AISI 316L, y las implicaciones de dicha evolución sobre la microestructura.
Uniendo la información microestructural de la pieza real y la evolución térmica de la pared virtual del modelo, se observa a lo largo de la pieza que la proximidad del sustrato y el tratamiento térmico sufrido capa tras capa influye en la evolución de la morfología de los granos y del porcentaje de delta ferrita retenida en la austenita.
Por otro lado, se han caracterizado las propiedades mecánicas del material consolidado con la tecnología DED/LP, bajo las normas correspondientes de los ensayos realizados, en este caso, de tracción y fatiga.
Durante el transcurso del trabajo presentado, se ha aplicado el conocimiento para desarrollos industriales, ya que la técnica DED/LP desarrollada ha supuesto un avance significativo a nivel científico-técnico. Ejemplo de ello son las distintas aplicaciones industriales llevadas a cabo en las instalaciones de IKERGUNE A.I.E., como la reparación de piezas y los recubrimientos para la mejora de las propiedades mecánicas.
The research topic of this Doctoral Thesis focuses on the experimental and theoretical study of the Additive Manufacturing process by laser known as Directed Energy Deposition of Laser Powder (DED/LP).
For the development of the DED/LP process, a laser is required as an energy source to melt powder, applied to a surface in order to obtain coatings and/or structures with identical or improved properties with respect to the base material, with minimal thermal impact on it, obtaining minimum distortions and stresses in the DED/LP parts.
This process is primarily used in the repair of high-value metal components. Some examples include gear tooth repair from high-value industrial machinery; surface coating to restore part dimensions or improve mechanical properties; and the manufacturing of complex geometries in sectors such as aeronautics or mold and die manufacturing.
This work has focused on high-input powder flow rates, resulting in a more productive process and improving its industrial potential. However, DED/LP technology for 3D part manufacturing is somewhat complex due to the number of variables affecting the process, which, in turn, directly influence the thermal cycles the deposited material undergoes during manufacturing, layer after layer. Therefore, the DED/LP process in this work aims to understand the thermal evolution of a high flow rate of material to be melted, with a relatively large molten pool, and associate it with the microstructure obtained from the consolidated material.
The fundamental objective of this doctoral thesis is the analysis and optimization of process parameters (power, process speed, powder flow rate, gas flow rates, etc.) with powder material, consolidating it in a straight path to obtain beads. For this purpose, a representative material of a significant number of applications, such as AISI 316L stainless steel, has been used. Through metallographic analysis of the cross sections of the beads, results have been obtained to validate the process parameters, synthesizing them in process working windows.
Next step has been analysed the process parameters that affects in the melt pool consolidation, including both the percentage of lateral overlap and the height increment for the next layer.
With all the prior information, mono-clad walls (one clad on top of the other) were fabricated to study their microstructural behaviour. This knowledge was also applied to the development of a numerical model of a virtual mono-clad wall using Comsol Multiphysics to analyse thermal gradients and cooling rates and, thus, understand the thermal evolution of the consolidated AISI 316L material.
Combining the microstructural information of the real part and the thermal evolution of the virtual wall of the model, it is observed throughout the part that the proximity of the substrate and the heat treatment suffered layer after layer influences the evolution of the morphology of the grains and the percentage of delta ferrite retained in the austenite.
On the other hand, the mechanical properties of the consolidated material have been characterized using DED/LP technology, under the corresponding standards of the tests performed, in this case, tensile and fatigue tests.
While the course of the presented work, this knowledge has been applied to industrial developments, as the DED/LP technique developed has represented a significant scientific and technical advance. Examples of this are the various industrial applications carried out at IKERGUNE A.I.E. facilities, such as part repair and coatings to improve the mechanical properties of surfaces.
The experimental part was carried out at the facilities of IKERGUNE A.I.E. (www.ikergune.com), the R&D&I unit of the INZU Group (www.inzugroup.com), which develops technological solutions and provides technical support to the group’s companies. The theoretical part was carried out in collaboration with the Department of Applied Physics at the ETSII of the University of Madrid.
RESUMEN
El tema de investigación de la presente Tesis Doctoral se centra en el estudio experimental y teórico del proceso de Fabricación Aditiva por láser conocido como Directed Energy Deposition of Laser Powder (DED/LP).
Para el desarrollo del proceso DED/LP se requiere un láser como fuente de energía para fundir polvo, aportado sobre una superficie con el fin de obtener recubrimientos y/o estructuras con propiedades idénticas o mejoradas con respecto al material base, con una afectación térmica mínima en éste, obteniendo distorsiones y tensiones mínimas en las piezas DED/LP.
Principalmente, este proceso se utiliza en la reparación de componentes metálicos de alto valor añadido. Algunos ejemplos son la reparación de dientes de un engranaje, de maquinaria industrial pesada; el recubrimiento de superficies, para recuperar dimensiones de piezas desgastadas o para mejorar las propiedades mecánicas superficiales; así como la fabricación de geometrías complejas en sectores como el aeronáutico o el de moldes y troqueles.
Este trabajo se ha focalizado en tasas de flujos de polvo de alto aporte, dando lugar a un proceso más productivo, mejorando su potencial industrial. Sin embargo, la tecnología DED/LP para la fabricación de piezas 3D tiene cierta complejidad debida a la cantidad de variables que afectan al proceso que, a su vez, influyen directamente en los ciclos térmicos que sufre el material depositado durante su fabricación, capa tras capa. Por lo tanto, el proceso DED/LP de este trabajo tiene como objeto comprender la evolución térmica de una tasa alta de material a fundir, con un baño fundido relativamente grande, y asociándola a la microestructura obtenida del material consolidado.
El objetivo fundamental de la tesis doctoral es el análisis y optimización de los parámetros de proceso (potencia, velocidad de proceso, flujo de polvo, caudales de gas, etc.) con material en polvo consolidándolo en una trayectoria recta para obtener cordones, para ello se ha utilizado un material representativo de un número importante de aplicaciones, como es acero inoxidable AISI 316L.Mediante un análisis metalográfico, de las secciones transversales de los cordones, se han obtenido los resultados para validar los parámetros de proceso, sintetizándolos en ventanas de trabajo de proceso.
A continuación, se ha procedido al análisis de los parámetros que afectan a la unión de cordones, tanto el porcentaje de solapamiento lateral, como el incremento de altura para la siguiente capa.
Con toda la información previa, se ha procedido a fabricar paredes mono-cordón (un cordón encima de otro) para estudiar su comportamiento microestructural. Por otro lado, también se aplica dicho conocimiento para el desarrollo de un modelo numérico de una pared mono-cordón virtual con Comsol Multiphysics, para analizar los gradientes térmicos y las velocidades de enfriamiento, y así comprender la evolución térmica del material consolidado AISI 316L, y las implicaciones de dicha evolución sobre la microestructura.
Uniendo la información microestructural de la pieza real y la evolución térmica de la pared virtual del modelo, se observa a lo largo de la pieza que la proximidad del sustrato y el tratamiento térmico sufrido capa tras capa influye en la evolución de la morfología de los granos y del porcentaje de delta ferrita retenida en la austenita.
Por otro lado, se han caracterizado las propiedades mecánicas del material consolidado con la tecnología DED/LP, bajo las normas correspondientes de los ensayos realizados, en este caso, de tracción y fatiga.
Durante el transcurso del trabajo presentado, se ha aplicado el conocimiento para desarrollos industriales, ya que la técnica DED/LP desarrollada ha supuesto un avance significativo a nivel científico-técnico. Ejemplo de ello son las distintas aplicaciones industriales llevadas a cabo en las instalaciones de IKERGUNE A.I.E., como la reparación de piezas y los recubrimientos para la mejora de las propiedades mecánicas. Read More
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