| dc.description.abstract | Denne oppgaven vil undersøke det stadig voksende feltet med additive produksjonsmetoder (AM) som brukes i produksjonen av komplekse tredimensjonale metallkomponenter. Det har spesielt vært en økning i interessen fra ulike bransjer for å benytte selektiv lasersmelting (SLM) for å produsere aluminiumsbaserte produkter på grunn av deres gunstige egenskaper, som inkluderer lav vekt, allsidige bruksområder og moderat mekanisk styrke. De raske kjølehastighetene forbundet med AM-prosessen, gir potensiale for å forbedre mikrostrukturen og dermed øke styrken til de trykte komponentene betydelig. Utforskningen av aluminiumslegeringer innen 3D-printing er imidlertid fortsatt i en tidlig fase, der det er behov for videre utvikling av printe-teknikker og en dypere forståelse av hvordan ulike aluminiumslegeringer responderer på SLM-metoder.
Målet med denne studien var derfor å optimalisere laserparametrene til en mini 3D-printer basert på SLM-teknologi, nylig utviklet ved SINTEF-NTNU laboratoriet, som benytter en pulserende laser som energikilde. Metallpulveret som ble brukt i SLM-prosessen var en gassatomisert hypereutektisk Al-40Si-legering. Spesielt ble innflytelsen av skannehastighet, laserkraft, repetisjonsfrekvens, avstand mellom skannelinjer og ulike skannestrategier vurdert. Parametertestingen ble utført ved å starte med enkeltsporet laserskanning av ett enkelt lag (∼50 µm) med Al-40Si-pulver på en kilestøpt Al-40Si-byggeplate. Videre ble det utført flere spor og tett skraverte skanninger på det samme laget med pulver. To andre skannestrategier ble utført, som involverte henholdsvis oppvarming av byggeplattformen og reskanning med 50 % laserkraft. I den siste delen av parameteroptimaliseringen ble flerlags komponenter produsert med opptil 4 lag Al-40Si-pulver. Prøvene ble deretter karakterisert med SEM, OM og ImageJ, der det ble funnet at økende laserskannehastighet reduserte diameteren til det omsmeltede Al-40Si-pulveret. De optimale parameterne for denne spesifikke 3D-printeren som bruker Al-40Si-legeringen viste seg å være skannehastigheter på 10-30 mm/s, 28.5 W (maksimal) laserkraft og 100 kHz (maksimal) repetisjonsfrekvens. Sfæroidisering av det omsmeltede metallpulveret viste seg å være en utfordring gjennom parameteroptimaliseringen, der dårlig fukting mellom oksidlag, Marangoni-konveksjon og Plateau-Rayleigh-instabilitet ble foreslått som mulige årsaker. Oppvarming og reskanning viste seg å ha neglisjerbar effekt på sfæroidisering av smelten. Samtidig viste foroppvarming ved høy temperatur seg å danne større dråper av smelte enn foroppvarming ved lavere temperatur. Samme effekt, det vil si generelt større dråpestørrelser, ble observert når det ble utført reskanning av samme skannemønster med 50 % laserkraft. De eksisterende utfordringene med mini-printerutstyret og den eksperimentelle metodikken ble også nevnt som årsaker til porøsiteten som oppstod i de produserte prøvene. Videre forbedringer av mini-printeren og printe-strategien blir foreslått som muligheter for videre arbeid. | |
| dc.description.abstract | This thesis will inquire into the continuously expanding field of additive manufacturing (AM) techniques employed for the fabrication of complex three-dimensional metal components. Particularly, there has been a surge of interest from a manifold of industries in utilizing selective laser melting (SLM) to produce aluminum-based products due to their favorable characteristics, including lightweight, versatile applications, and moderate mechanical strength. The rapid cooling rates inherent to the AM process offer the potential for refining the metal microstructure, thereby significantly enhancing the strength of the printed components. Nevertheless, the exploration of aluminum alloys in the field of 3D printing is still in its emerging stages, requiring further development of printing techniques and a deeper understanding of the response of various aluminum alloys to SLM methods.
The aim of this study was therefore to optimize the printing parameters of a SLM based mini 3D printer recently developed at the SINTEF-NTNU lab, based on a laser pulse laser source. The metal powder used in the SLM process was a gas-atomized hypereutectic Al-40Si alloy. In particular, the influence of scanning speed, laser power, repetition rate, hatching distance, and different scanning strategies was systematically investigated. The parameter testing was carried out starting with single-track scanning of one single layer (∼50 µm) of Al-40Si powder on a wedge-cast Al-40Si plate. Furthermore, multiple tracks and closely hatched scans were performed on the same single layer of powder. Two additional scanning strategies were conducted, which involved preheating the building platform and rescanning with 50 % laser power, respectively. In the final parameter optimization part, multiple-layered printed parts were produced with up to 4 layers of Al-40Si powder. The samples were thereupon characterized with SEM, OM, and ImageJ, where increasing laser scanning speed was found to decrease the droplet diameter of the remelted powder. The optimal printing parameters for this specific 3D printer employing the Al-40Si alloy proved to be scanning speeds of 10-30 mm/s, 28.5 W (maximum) laser power, 100 kHz (maximum) repetition rate, and 20 % hatching overlap. The balling phenomenon emerged as a major issue throughout the parameter optimization work, where poor wetting between oxide layers, Marangoni convection, and Plateau-Rayleigh instability was put forward as possible causes. The preheating and rescanning approaches were observed to have a negligible effect on the predicament of balling. Meanwhile, high-temperature preheating proved to form larger droplets than low-temperature preheating. The same effect, i.e. general larger droplet sizes, was found when performing rescanning of the same scanning pattern with 50 % laser power. The existing challenges with the mini printer equipment and the methodology used were also brought up as reasons for the porosity obtained in the printed parts. Further improvements to the mini printer and printing strategy are suggested for future work. | |
