Zvyšování únavových vlastností kovových součástí vyrobených 3D tiskem jejich následnou úpravou

Abstract

Tato diplomová práce se zabývá rešerší a experimentem k navýšení únavové životnosti kovových součástí vyrobených metodou 3D tisku. Je popsán mechanismus výroby s důrazem na veškeré faktory související s únavou materiálu a detailně jsou vypsány možné technologie následného zpracování. V experimentální části je popsán proces výroby i následná analýza struktury materiálu i jeho mechanických vlastností, včetně vysokocyklových únavových zkoušek. Na následnou úpravu vzorků byly vybrány technologie balotinování a obrábění. Na experiment byla použita maraging ocel M300 vyrobená metodou SLM, jejíž podrobná analýza však odhalila výrazné odchylky od očekávaného stavu materiálu. Zjištěné zvýšené koncentrace prvků jako Ni, Cr a Nb poukázaly na kontaminaci tiskové komory superslitinou Inconel 718, což se nakonec potvrdilo i dalšími analýzami. Tyto materiálové odchylky měly zásadní vliv na výsledné vlastnosti vzorků, neboť se materiál choval jako austenitická, a nikoliv jako martenzitická ocel. Provedené zkoušky vysokocyklové únavy potvrdily účinnost jak obrábění, tak i balotinování jakožto dokončovací operace na zvýšení únavových vlastností. Obrábění efektivně odstranilo povrchové vady typické pro metodu SLM a přineslo přibližně dvojnásobné navýšení počtu cyklů do porušení. Balotinováním bylo dosaženo ještě lepších výsledků především díky vnesení příznivých tlakových napětí do povrchu vzorku. Součástí této práce je i technicko-ekonomické zhodnocení použitých technologií.This thesis focuses on a literature review and experimental investigation aimed at increasing the fatigue life of metallic components manufactured by 3D printing. The manufacturing mechanism is described with emphasis on all factors related to material fatigue, and various possible post-processing technologies are listed in detail. The experimental section outlines the production process as well as the subsequent analysis of the material’s structure and mechanical properties, including high-cycle fatigue tests. Shot peening and machining were selected as post-processing techniques. The experiment was conducted on maraging steel M300 produced by the SLM method, but a detailed analysis revealed significant deviations from the expected material state. Elevated concentrations of elements such as Ni, Cr, and Nb indicated contamination of the machine chamber with the superalloy Inconel 718, which was later confirmed by further analyses. These material deviations had a major impact on the final properties of the samples, as the material behaved as an austenitic rather than a martensitic steel. The conducted high-cycle fatigue tests confirmed the effectiveness of both machining and shot peening as finishing operations for enhancing fatigue properties. Machining effectively removed surface defects typical of the SLM method and resulted in approximately a twofold increase in the number of cycles to failure. Shot peening achieved even better results, primarily due to the introduction of beneficial compressive stresses into the surface of the samples. The thesis also includes a techno-economic evaluation of the applied technologies.