|
|
Computational Models for Non-linear Mechanical Loading Analyses of Lattice Structures Made by Laser Powder Bed Fusion
Červinek, Ondřej ; Dr. Michael R. Tucker (referee) ; Haas/, Franz (referee) ; Koutný, Daniel (advisor)
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 kvazistatické i dynamické zatěžování. Finální parametrická ověřovací simulace zatěžování mikro-prutové struktury při několika rychlostech ukazuje dobrou shodu experimentu a výpočtového řešení. Podobná parametrická studie může v budoucnu vést k nalezení efektivních strukturovaných konfigurací pro specifické množství absorbované energie bez předchozí výroby a testování.
|
|
|
Processing of metallic materials by Selective Laser Melting at elevated temperatures
Malý, Martin ; Filho, Sergio de Traglia Amancio (referee) ; Dr. Michael R. Tucker (referee) ; Koutný, Daniel (advisor)
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. Všechny výsledky vedou k lepšímu pochopení chování materiálů během zpracování technologií LPBF a mohou vést k jejímu rozšíření do dalších průmyslových odvětví. Výsledky jsou shrnuty ve třech publikacích, které byly vydány ve vědeckých časopisech.
|
guest ::
