Metallurgical characterization of 3D-printed metal components

Abstract

3D-pinting tilbyr en lovende metode for å skape komplekse former ved bruk av ulike materialer, der stålkomponenter typisk brukes i applikasjoner som krever høy styrke på grunn av deres store styrke og motstand mot utmattelse. Imidlertid gjør de innledende kostnadene for utstyr og 3d-printing produksjon av metall kostbar. En innovativ 3d-printingsteknikk har nylig blitt foreslått for å adressere denne utfordringen. Denne masteroppgaven har som mål å utforske potensialet for å produsere rustfritt stål 316L ved bruk av MEAM-teknikken samtidig som mekaniske egenskaper som er sammenlignbare med konvensjonelt produserte prøver opprettholdes. Studien innebærer 3d-printede prøver ved bruk av et komposittfilament bestående av 316L-pulverpartikler og et polymerbindemiddel. Med etterfølgende videre avbinding og sintring, er nødvendige for å oppnå de endelige 3d-printede delene. Prosjektet omfatter produksjon av prøver, karakterisering av det 3d-printet produktet, materiellanalyse og mekanisk testing. De mekaniske egenskapene til de 3d-printede prøvene oppnådd gjennom MEAM-prosessen viser et potensial for forbedring, og peker på et kunnskapsgap når det gjelder å forstå innvirkningen av prosessparametere på porøsitet, tetthet, mikrostruktur og resulterende mekaniske egenskaper. Ved å gjennomføre en omfattende analyse av prøveforberedelse, partikkelstørrelsesfordeling, overflate-ruhet, defekter og porøsitetsfordeling, kornstørrelse, mikrohardhet, endelige element-simuleringer og trekktesting, oppnås verdifulle innsikter i den mekaniske atferden til de 3d-printede prøvene. Funnene indikerer muligheter for å optimalisere printeparametere og materielle egenskaper for å forbedre de mekaniske egenskapene, som styrke, duktilitet og bæreevne til de 3d-printede rustfrie stål 316L-deler.

Additive manufacturing offers a promising method for creating intricate shapes using different materials, with steel components typically used for high-strength applications due to their great strength and fatigue resistance. However, the initial cost of equipment and production makes additive manufacturing for metal expensive. A novel technique called Material Extrusion Additive Manufacturing has recently been proposed to address this issue. This master thesis aims to explore the potential of producing stainless steel 316L using the MEAM technique while maintaining mechanical properties comparable to conventionally manufactured specimens. The study involves printed specimens using a composite filament composed of 316L powder particles and a polymer binder, with subsequent post-processing steps, such as debinding and sintering, are required to obtain the final printed parts. The project encompasses the production of specimens, characterization of the printed product, material analysis, and mechanical testing. The mechanical properties of the printed specimens obtained through the MEAM process demonstrate room for improvement, highlighting a knowledge gap in understanding the influence of process parameters on porosity, density, microstructure, and resulting mechanical properties. By conducting a comprehensive analysis of particle size distribution, surface roughness, defects and porosity distribution, grain size, microhardness, finite element simulations, fracture tests, tensile testing and fractography, valuable insights are gained into the mechanical behavior of the printed specimens. The findings indicate opportunities for optimizing printing parameters, and material characteristics to improve the mechanical properties, such as strength, ductility, and load-bearing capacity of the printed stainless steel 316L parts.