Directed energy deposition of 316L stainless steel with laser and wire
Tepponen, Vesa (2020)
Diplomityö
Tepponen, Vesa
2020
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020113098714
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020113098714
Tiivistelmä
This thesis studies the directed energy deposition (DED) of 316L stainless steel with laser and wire by presenting a process overview, its current situation in research and industry and critical process related characteristics. The thesis consists of a literature view part, which presents findings from scientific articles related to wire-based laser-DED, and an experimental part where the effects of process parameters are tested, and 3d structure is manufactured. The thesis is done as a part of the Manufacturing 4.0 (MFG 4.0) research project, funded by the Strategic Research Council (SRC) which is part of Academy of Finland.
Wire-based laser-DED is still developing technology compared to the laser-powder and arc-wire variants. However, the amount of research and industry applications are increasing due to advantages gained with laser and wire-form material. Laser beam offers a precise contact-free processing method, and the use of wire brings higher and cost-effective material usage, and sustainable production. The critical process related problems deal with the lack of direction-free material feeding, where different process parameters need precise configuration with each feeding orientation.
The process was tested in experimental part with fiber laser and off-axial 316L SS wire feeding in Laser Material Processing and Additive Manufacturing of LUT University. Preliminary tests concluded testing of suitable process parameters for concise single-bead deposition, which were further studied in experimental tests to examine the effect on bead geometry and external coherence. Overlapping multi bead deposition was experimented to manufacture a simple 3d structure. The multi bead sample showed good potential in terms of dimensional and structural coherence, but internal porosity due to irregular structure cooling was observed in the lower layers of the sample. However, the research results showed the functionality of the process and provided guidelines for future development. Diplomityössä tutkittiin 316L ruostumattoman teräksen suorakerrostusta (DED) laserilla ja langalla esittelemällä prosessin yleiskatsaus, sen nykytilanne tutkimuksessa ja teollisuudessa sekä tärkeimmät prosessi ominaisuudet. Diplomityö koostui kirjallisuuskatsauksesta, joka esittelee havainnot tieteellisistä teoksista ja artikkeleista, sekä kokeellisesta osasta, jossa testattiin prosessiparametrien vaikutuksia ja valmistettiin 3d rakenne. Diplomityö tehtiin osana Manufacturing 4.0 (MFG 4.0) -tutkimushanketta, jonka rahoittaa Suomen Akatemiaan kuuluva Strateginen tutkimusneuvosto (SRC).
Lankapohjainen laser suorakerrostus on edelleen kehityksen alla oleva tekniikka verrattuna laserjauhe- ja kaari-lankapohjaisiin menetelmiin. Tutkimuksen ja teollisuuden sovellusten määrä on kuitenkin kasvussa lasersäteellä ja lankamateriaalilla saavutettujen etujen vuoksi. Lasersäde tarjoaa tarkan kosketuksettoman prosessointimenetelmän, ja langan käyttö mahdollistaa kustannustehokkaamman materiaalinkäytön sekä edistää kestävää tuotantoa. Kriittiset prosessiin liittyvät ongelmat käsittelevät suuntaamattoman materiaalinsyötön puutetta, jossa eri prosessiparametrit tarvitsevat tarkan konfiguroinnin jokaisen syöttösuunnan mukaan.
Prosessi testattiin kokeellisessa osassa kuitulaserilla ja off-aksiaalisella 316L langansyötöllä osana LUT-yliopiston Laser Materials Processing and Additive Manufacturing -tutkimusryhmää. Alustavilla testeillä saatiin todettua prosessin toimivuus, jota jatkettiin yksipalko suorakerrostus kokeilla, joissa selvitettiin prosessiparametrien vaikutuksia palko muotoihin. 3d rakenteen suorakerrostusta kokeiltiin valmistamalla yksinkertainen monipalkorakenne. Valmistettu 3d rakenne osoitti potentiaalia ulkoisen mittatarkkuuden ja virheettömyyden suhteen, mutta epäsäännöllisen rakenteen jäähtymisen aiheuttamaa sisäistä huokoisuutta havaittiin näytteen alemmissa palkokerroksissa. Tutkimustulokset osoittivat kuitenkin prosessin toimivuuden sekä antoivat ohjearvoja tulevalle kehitykselle.
Wire-based laser-DED is still developing technology compared to the laser-powder and arc-wire variants. However, the amount of research and industry applications are increasing due to advantages gained with laser and wire-form material. Laser beam offers a precise contact-free processing method, and the use of wire brings higher and cost-effective material usage, and sustainable production. The critical process related problems deal with the lack of direction-free material feeding, where different process parameters need precise configuration with each feeding orientation.
The process was tested in experimental part with fiber laser and off-axial 316L SS wire feeding in Laser Material Processing and Additive Manufacturing of LUT University. Preliminary tests concluded testing of suitable process parameters for concise single-bead deposition, which were further studied in experimental tests to examine the effect on bead geometry and external coherence. Overlapping multi bead deposition was experimented to manufacture a simple 3d structure. The multi bead sample showed good potential in terms of dimensional and structural coherence, but internal porosity due to irregular structure cooling was observed in the lower layers of the sample. However, the research results showed the functionality of the process and provided guidelines for future development.
Lankapohjainen laser suorakerrostus on edelleen kehityksen alla oleva tekniikka verrattuna laserjauhe- ja kaari-lankapohjaisiin menetelmiin. Tutkimuksen ja teollisuuden sovellusten määrä on kuitenkin kasvussa lasersäteellä ja lankamateriaalilla saavutettujen etujen vuoksi. Lasersäde tarjoaa tarkan kosketuksettoman prosessointimenetelmän, ja langan käyttö mahdollistaa kustannustehokkaamman materiaalinkäytön sekä edistää kestävää tuotantoa. Kriittiset prosessiin liittyvät ongelmat käsittelevät suuntaamattoman materiaalinsyötön puutetta, jossa eri prosessiparametrit tarvitsevat tarkan konfiguroinnin jokaisen syöttösuunnan mukaan.
Prosessi testattiin kokeellisessa osassa kuitulaserilla ja off-aksiaalisella 316L langansyötöllä osana LUT-yliopiston Laser Materials Processing and Additive Manufacturing -tutkimusryhmää. Alustavilla testeillä saatiin todettua prosessin toimivuus, jota jatkettiin yksipalko suorakerrostus kokeilla, joissa selvitettiin prosessiparametrien vaikutuksia palko muotoihin. 3d rakenteen suorakerrostusta kokeiltiin valmistamalla yksinkertainen monipalkorakenne. Valmistettu 3d rakenne osoitti potentiaalia ulkoisen mittatarkkuuden ja virheettömyyden suhteen, mutta epäsäännöllisen rakenteen jäähtymisen aiheuttamaa sisäistä huokoisuutta havaittiin näytteen alemmissa palkokerroksissa. Tutkimustulokset osoittivat kuitenkin prosessin toimivuuden sekä antoivat ohjearvoja tulevalle kehitykselle.