Výzkum a vývoj aditivně vyráběných mikro-prutových struktur

Abstract

Vývoj v oblasti aditivních technologií umožnil výrobu porézních mikro-prutových struktur z široké škály kovových slitin. Ty je možné použít jako náhradu plného materiálu a vyrábět tak díly s výraznou úsporou hmotnosti, nebo vyšším odvodem tepelné energie. Spojení mikro-prutových struktur a hořčíkových slitin navíc potenciálně umožňuje výrobu biodegradabilních implantátů, které svojí strukturou podpoří prorůstání kostní tkáně a zároveň budou mít mechanické vlastnosti blízké kostní tkáni díky hořčíkové slitině. Pro potenciální aplikaci takových dílů v různých průmyslových odvětvích je nutné zajistit vysokou kvalitu výroby. Ta je spojená s vysokou relativní hustotou materiálu, nízkou drsností povrchu a vysokou přesností. V případě mikro-prutových struktur, které jsou obtížně opracovatelné po výrobě, to klade vysoké požadavky na samotnou výrobu. V případě laserové fúze s práškovým ložem jde o vhodné zvolení procesních parametrů vedoucí k minimalizaci imperfekcí. Proto se disertační práce zaměřuje na výrobu mikro-prutových struktur s cílem maximální minimalizace imperfekcí. Geometrie mikro-prutových struktur je rozdělena na menší části s cílem pochopit vliv výrobních parametrů na vznik imperfekcí. V první fázi je výroba zaměřena na geometrii prutu, kde je použita contour strategie, která se jeví jako vhodná pro výrobu nízko-objemových dílů s kulatým průřezem. Jelikož se jedná o základní část struktury, je použita dobře zpracovatelná hliníková slitina AlSi10Mg, aby bylo možné vlivy procesních parametrů dobře objasnit. Další fáze je zaměřena na geometrii základní buňky, kde je použita hořčíková slitina WE43. V poslední fázi je zkoumán vliv contour a hatch skenovacích strategií na imperfekce a mechanické vlastnosti mikro-prutových struktur vyrobených z hořčíkové slitiny WE43. Výsledky potvrzují, že vhodným nastavením procesních parametrů je možné vyrábět mikro-prutové struktury i z obtížně zpracovatelného materiálu jakým je hořčíková slitina. Relativní hustota materiálu dosahovala vice než 99.5% a Youngův modul byl 40 GPa. Popsané vlivy procesních parametrů na vznik imperfekcí by tak mohly v budoucnu přispět k rozšíření porézních struktur do více aplikací.

Developments in additive technologies have enabled the production of porous lattice structures from a wide range of metal alloys. These can be used to replace solid material and produce components with significantly reduced mass or higher heat dissipation. In addition, the combination of lattice structures and magnesium alloys potentially enables the production of biodegradable implants that promote bone tissue ingrowth and exhibit mechanical properties close to those of bone tissue due to the magnesium alloy. For the potential application of such components in various industries, it is necessary to ensure high-quality production. This is associated with a high relative material density, low surface roughness and high dimensional accuracy. Lattice structures are difficult to process after production, which places high demands on the production itself. Laser powder bed fusion need the selection of suitable process parameters that lead to a minimization of imperfections. This dissertation therefore focuses on the production of lattice structures with the aim of minimizing imperfections as much as possible. The geometry of the lattice structures is divided into smaller parts in order to understand the influence of the manufacturing parameters on the formation of imperfections. In the first phase, manufacturing is focused on the strut geometry. The contour strategy is used, which seems to be suitable for manufacturing parts with low volume and round cross-section. As this is the base part of the structure, a good processable aluminum alloy AlSi10Mg is used to understand well the effects of the process parameters. The next phase focuses on the geometry of the unit cell, for which the magnesium alloy WE43 is used. In the last phase, the effect of contour and hatch strategies on the imperfections and mechanical properties of the lattice structures produced from WE43 magnesium alloy is investigated. The results confirm that by adjusting the process parameters, it is possible to produce lattice structures even from a difficult-to-process material such as a magnesium alloy. The relative density of the material reached more than 99.5% and the Young's modulus was 40 GPa. The described effects of the process parameters on the formation of imperfections could therefore help to ensure that porous structures can be used for more applications in the future.