Characterization of part deformations in powder bed fusion of stainless steel

Abstract

Aim of this thesis was to study why deformations occur in metal parts made by laser powder bed fusion and what is the deformation shape. This thesis was done by conducting a literature review by searching and collecting data from studies relating to the topic of metal part deformations in laser powder bed fusion and performing an experimental part in which the deformations of stainless steel parts were examined by manufacturing different geometries by laser powder bed fusion and capturing their deformations by macroscope.

As results from literature part, higher temperature of the part increases melt pool size, lowers cooling rate and lowers yield strength of the material, exposing the part for deformations. Deformation of metal parts made by laser powder bed fusion obeys the temperature gradient mechanism that aims to lift the edges of parts from the building platform due to residual stresses. Tensile residual stresses are generated on the surface of the part whereas compressive stresses locate inside the part. Higher temperature gradients exist in the building direction rather than in horizontal plane which results in the highest residual stress peaks in the building direction. Also the largest deformations are observed in the building direction rather than horizontally.

Different geometries were built in different orientations in the experimental part and it was observed that deformations occurred in test samples built horizontally and in 45˚ angle when positioned flat on the building platform. The deformation shapes obeyed the temperature gradient mechanism and as a result, the edges of parts bent upwards from the building platform. No deformations were observed in test samples built vertically or horizontally on their side, regardless of the geometry of the part. Orientation of the part plays an important role in generation of deformations in laser powder bed fusion. Each test sample geometry could be manufactured without deformation, by adjusting the orientation of the part.

Tämän tutkimuksen tavoitteena oli tutkia, miksi ja millaisia muodonmuutoksia syntyy metallisiin kappaleisiin, jotka ovat valmistettu jauhepetisulatuksella. Kirjalliseen osaan etsittiin ja kerättiin tietoa aikaisemmista tutkimuksista, joiden aiheena on metalliosien muodonmuutokset jauhepetisulatuksessa. Kokeellisessa osassa tutkittiin metallikappaleiden muodonmuutoksia erilaisissa geometrioissa, kun koekappaleet valmistettiin jauhepetisulatuksella ruostumattomasta teräksestä.

Kirjallisuusosan päätuloksia oli, että kappaleen suuri lämpötila kasvattaa sula-altaan kokoa, hidastaa jäähtymistä sekä madaltaa kappaleen myötölujuuden arvoa, mikä altistaa kappaleen muodonmuutoksille. Jauhepetisulatuksessa metallikappaleiden muodonmuutokset määräytyvät lämpögradienttien mukaan. Vetojäännösjännitys muodostuu kappaleen pintaan, kun taas puristusjäännösjännitys kappaleen sisäosaan. Tyypillistä on, että mahdollisen muodonmuutoksen tapahtuessa kappaleen reunat nousevat rakennusalustasta korkeiden jäännösjännitysten vaikutuksesta. Suurimmat jäännösjännityspiikit muodostuvat rakennussuunnassa, koska suurimmat lämpögradientit vaikuttavat rakennussuunnassa ennemmin kuin vaakatasossa. Myös suurimmat muodonmuutokset havaitaan rakennussuunnassa.

Kokeellisessa osassa valmistettiin erilaisia geometrioita erilaisissa asennoissa ja huomattiin, että muodonmuutoksia syntyi vaakatasossa sekä 45˚ kulmassa valmistettuihin koekappaleisiin. Nämä muodonmuutokset noudattavat muotoa, jossa kappaleen reunat nousevat ylös rakennusalustasta johtuen korkeista jäännösjännityksistä. Pystyasennossa sekä kyljellään rakennettujen koekappaleiden kohdalla ei havaittu muodonmuutoksia, kappaleen geometriasta riippumatta. Kappaleen orientaatiolla on siis merkittävä vaikutus muodonmuutosten syntyyn jauhepetisulatuksessa. Jokainen erilainen geometria pystyttiin valmistamaan ilman muodonmuutosta, orientaatiota muuttamalla.