Additive manufacturing of topologically optimised parts

Abstract

Disertační práce se zabývá technologií Laser Powder Bed Fusion (LPBF) v kontextu efektivní produkce topologicky optimalizovaných (TO) dílů. Její hlavní zaměření je na výrobní možnosti a limity LPBF a na důsledky, které z toho plynou pro návrh dílů a jejich post-procesing. Práce se zaměřuje na tři obecné problémy LPBF: zbytkové napětí ve vyrobených dílech, nutnost použití podpůrných struktur a na vlastnosti strukturovaného materiálu vyrobeného pomocí LPBF. Zbytková napětí jsou neoddělitelným problémem technologie LPBF, který je většinou řešen post-procesingovým tepelným zpracování. Nicméně pro Al-Si slitiny je jednostupňové žíhání vždy kompromis mezi nízkou hodnotou zbytkového napětí a pevnostními vlastnostmi. Nejslibněji se jeví zpracování T6, které se skládá z rozpouštěcího žíhání s chlazením ve vodě následovaného umělým stárnutím. Toto zpracování je schopné zachovat pevnostní vlastnosti a tato práce ukázala, že zároveň dokáže úplně eliminovat zbytková napětí způsobená výrobou pomocí LPBF. Nicméně chlazení ve vodě indukuje nové tlakové napětí, které způsobuje deformace dílů. Tento efekt je nutné brát do úvahy během přípravy výroby při zvolení správné orientace dílu na platformě a při návrhu podpůrných struktur. Potřeba podpůrných struktur je řešena dvěma přístupy. Tím prvním je integrace návrhových pravidel pro aditivní výrobu do návrhového procesu s využitím jednoúrovňové TO. Cílem je snížit počet podpůrných struktur pomocí změny tvaru určitých tvarových prvků. Druhým přístupem je víceúrovňová optimalizace s předdefinovanými mikro-prutovými strukturami. Nutným vstupem do optimalizace je znalost mechanických vlastností pro celý rozsah relativních hustot. Tenké pruty jsou včetně defektů a mechanických vlastností rozsáhle studovány v literatuře. Výzkum v této disertační práci se zaměřil na statistické ověření těchto poznatků pomocí analýzy změn tvaru prutů. Tato analýza proběhla pomocí výpočetní tomografie na strukturovaných vzorcích s počtem prutů mezi 2700 a 500. Výsledky ukazují, že tvar prutů je ovlivněn blízkostí platformy, ale po první řadě buněk se dá tvar prutů považovat za konstantní. Na druhou stranu, v současném stavu poznání chybí mikro-prutové struktury s vysokou relativní hustotou. Porovnání šesti základních mikro-prutových struktur ukázalo, že je velice důležité, která buňka je použita pro víceúrovňovou TO, protože rozdíl ve váze dvou buněk se stejnou tuhostí může být až 40 %. Orientace dílu má také významný vliv na vhodnost jednotlivých buněk pro TO. Výsledky ukazují, že vhodnost není přímočará a že absence horizontálně orientovaných prutů automaticky neznamená nižší tuhost v horizontálním směru v porovnání s vertikálním. Navíc byla pozorována anizotropie efektivních elastických vlastností způsobená zpracováním T6, což zatím nebylo nikde popsáno. Všechny výše zmíněné poznatky je potřeba brát do úvahy při vytváření víceúrovňových návrhů pomocí TO pro technologii LPBF. Další práce by se měla zaměřit na vývoj víceúrovňové metody s více buňkami, která dokáže brát zřetel na všechny výše zmíněné poznatky.The dissertation thesis deals with Laser Powder Bed Fusion (LPBF) technology in the context of effective production of topologically optimised (TO) parts. The main focus is on the manufacturing capabilities and limitations of LPBF and the consequences for part design and post-processing. The thesis focuses on three general problems of LPBF: residual stresses in the manufactured parts, the need for support structures and the properties of the structured material produced by LPBF. Residual stresses are an inherent problem of LPBF technology, which is usually solved by post-processing heat treatment. However, for Al-Si alloys, single-stage annealing is always a compromise between a low value of residual stress and strength properties. The most promising treatment is the T6 treatment, which consists of solution annealing followed by water cooling and artificial ageing. This treatment is able to maintain the strength properties and the investigations in this thesis show that it is also able to eliminate all residual stresses caused by LPBF. However, water cooling leads to new compressive stresses and causes deformation of the parts. This effect must be taken into account in the pre-processing stage by choosing the correct orientation on the build platform and designing support structures. The need for support structures is solved by two approaches. The first is the integration of design rules for additive manufacturing into the design process based on mono-scale TO. The aim is to reduce the number of support structures by changing certain geometry features. The second approach proposes to use of multi-scale TO with predefined truss-based lattice structures. As input for the optimisation, the mechanical properties of the lattice structures must be known over the entire range of relative densities. Thin struts, including defects and mechanical properties, are extensively studied in the literature. The research contained in this thesis aims to statistically verify these findings by analysing the shape deviations of the struts. The analysis was performed on structured cubes with a number of 2700 to 500 struts using computed tomography. The results show that the shape of the struts is influenced by the proximity of the building platform. However, after the first layer of lattice cells, the shape of the struts can be considered constant. On the other hand, the current state of the art lacks lattice structures with high relative density. The comparison of six basic truss-based lattice structures shows that it is very important which lattice cell is used for multi-scale TO, because the difference between the weight of two lattice cells with the same stiffness can be more than 40%. The orientation of the component also has a significant influence on the suitability of the different lattice cells for TO. The results show that the suitability is not straightforward, as the absence of horizontal struts does not generally lead to a lower stiffness in the horizontal direction compared to the vertical. Moreover, the anisotropy of the effective elastic properties of the lattice cells caused by the T6 treatment was observed, which has not been described before. All the above findings need to be taken into account when creating multi-scale designs by TO for LPBF technology. Future work should focus on the development of a multi-lattice multi-scale methods that can take all the above conditions into account.