Characterization of heat effects on deformations occurring during the L-PBF based on simulation

Abstract

The purpose of this bachelor's thesis was to determine the heat effects that occur in the part during powder bed fusion process. These deformations and residual stresses were investigated by using simulation. The study could help reduce problems that occur during printing before the actual printing. The parameters for nickel-based tool steel (MS1) on EOS M290 was used as parameters for the simulation. MS1 was chosen as the material because it has been used by the LUT Laser Research Group.

Difficult geometries for printing are overhang without supporting structures and thin horizontal plate structures based on the literature review. The overhangs accumulate extra heat, as raw powder has worse heat conductivity than solid support structures. This leads to partial melting of the powder at the surface. The thin structures of the horizontal tend to bend upwards from the edges as a result of thermal expansion. This can be avoided with orientation of the part.

The simulations found that the main deformation of all structures was shrinkage. When the material is melted, thermal expansion occurs. Shrinkage occurs when the material contracts when it cools down. The tensions form from these changes. Most of the residual stresses in the pieces consisted of the surface of the pieces. Although exceeding the yield strength of the material is a prerequisite for deformation, it does not necessarily lead to a change of shape. The objects and building the chassis interface had the highest stresses, but the deformations were minimal. Building chassis support prevented deformation.

In the future, it would be necessary to examine the effects of the removal and heat treatment of the body on the deformation, as their effects can be large. In addition, the results of the different simulation methods could be considered to determine the most effective method and their differences.

Tämän kandidaatin työn tarkoituksena oli selvittää jauhepetisulatuksen aikana osassa esiintyviä lämmönvaikutuksia. Näitä muodonmuutoksia ja jännityksiä tutkittiin simulaation avulla. Tutkimuksen avulla voitaisiin vähentää tulostuksen aikana tapahtuvia ongelmia ennen oikeaa tulostusta. Työssä simulaation parametreinä käytettiin EOS M290 jauhepeti tulostimen parametrejä nikkelipohjaiselle työkaluteräkselle (MS1) materiaalin tulostukseen. Materiaaliksi valittiin MS1, sillä sitä on LUT Laser tutkimus ryhmällä käytössä.

Kirjallisuuskatsauksen perusteella hankalimpia geometrioita tulostaa ovat ulokkeet ilman tukirakenteita ja ohuet vaakatason levyrakenteet. Ulokkeisiin kertyy ylimääräistä lämpöä, sillä lämpö johtuu huonommin jauheeseen kuin tukirakenteisiin. Tämä johtaa jauheen osittaiseen sulamiseen. Vaakatason ohuet rakenteet pyrkivät taipumaan ylöspäin reunoista lämpölaajenemisen seurauksena. Tämä voidaan välttää kappaleen orientaatiolla.

Simulaatioissa huomattiin, että kaikkien rakenteiden pääasiallinen muodonmuutos oli kutistumista. Kun materiaalia sulatetaan, tapahtuu siinä lämpölaajenemista. Kutistuminen tapahtuu, kun materiaali vetäytyy jäähtyessään. Jännitykset syntyvät näistä muutoksista. Suurin osa kappaleiden jäännösjännityksistä muodostui kappaleiden pinnalle. Vaikka materiaalin myötölujuuden ylittäminen on edellytys muodonmuutokselle, ei se välttämättä johda muodon muutokseen. Kappaleiden ja rakennus alustan rajapinnalla jännitykset olivat korkeimpia, mutta muodonmuutokset olivat pieniä. Rakennus alustan tuki esti muodonmuutokset.

Jatkossa olisi syytä tutkia kappaleen irrotuksen ja lämpökäsittelyn vaikutuksia muodonmuutoksiin, sillä niiden vaikutukset voivat olla suuria. Lisäksi tarkastelun kohteena voisi olla eri simulaatio tapojen tuloksien eroja tehokkaimman metodin ja niiden erojen selvittämiseksi.