Implementation of hybrid laser powder bed fusion process : creating a bimetal component using additive manufacturing on top of an existing part

Abstract

Printing on top of an existing substrate opens possibilities to produce advanced components by utilizing the benefits of additive manufacturing and traditional manufacturing methods such as machining. Hybrid additive manufacturing allows the production of complex components and the use of expensive high-performance materials where necessary.

Due to the large number of possible material pairs that can be connected, there is a lack of research in the previous studies about the functionality, properties and behaviour of certain material pairs under loading conditions.

This thesis studies the possibility of using a laser powder bed fusion process in the manufacturing of bimetal components at Wärtsilä Oyj, by printing on top of an existing substrate. The goal of the thesis was to create a capability for hybrid printing. The durability of the parts was tested by manufacturing tensile rods by printing Inconel 718 and 316L metals on top of a 410 stainless steel substrate. After tensile tests, a nozzle was manufactured by printing Inconel 718 nozzle head on top of a 410 stainless steel nozzle lower body.

The thesis includes a literature review and an experimental part, both of which found it possible to manufacture bimetallic components. In the experimental part, hybrid components were successfully manufactured by printing Inconel 718 and 316L metals on top of a 410 stainless steel substrate. Tensile tests showed that the bonding of the materials is durable, and the test pieces broke apart on the side of the weaker material.

Tulostaminen olemassa olevan kappaleen päälle avaa mahdollisuuksia edistyksellisien kappaleiden valmistukselle, hyödyntäen tulostamisen ja perinteisten valmistustekniikoiden, kuten koneistamisen parhaita puolia. Hybriditulostuksen avulla voidaan valmistaa monimutkaisia komponentteja ja käyttää kalliita korkean suorituskyvyn materiaaleja siellä missä se on tarpeen.

Mahdollisia toisiinsa yhdistettäviä materiaalipareja on suuri määrä, joten aikaisemmissa tutkimuksissa on puutteita tiettyjen materiaaliparien toimivuudesta, ominaisuuksista ja käyttäytymisestä kuormitustilanteissa.

Tässä työssä tutkittiin jauhepetisulatuslaitteen käyttömahdollisuutta kaksoismetalliosien valmistuksessa Wärtsilä Oyj:llä, tulostamalla olemassa olevan kappaleen päälle. Työn tavoitteena oli luoda valmiudet hybriditulostamiselle. Osien kestävyyttä testattiin valmistamalla vetotestisauvoja tulostamalla Inconel 718 ja 316L metalleja 410 ruostumattoman teräksen päälle. Vetotestien jälkeen valmistettiin suutin tulostamalla Inconel 718 suuttimen kärki 410 ruostumattomasta teräksestä valmistetun suuttimen rungon päälle.

Työ sisältää kirjallisuuskatsauksen ja käytännön osuuden, joissa molemmissa todettiin mahdolliseksi valmistaa kaksoismetallikomponentteja. Käytännön osuudessa valmistettiin onnistuneesti hybridikomponentteja tulostamalla Inconel 718 ja 316L materiaaleja 410 ruostumattoman teräksen päälle. Vetotestit osoittivat, että materiaalien liitoskohta on kestävä ja testikappaleet hajosivat heikomman materiaalin puolelta.