摘要。激光金属增材制造 (AM) 因其在几何形状和材料方面的灵活性而成为一种越来越受欢迎的技术。作为一种商业化的增材工艺,粉末吹制定向能量沉积 (DED) 已用于航空航天、汽车、医疗设备等多个行业。然而,人们对这一工艺仍然缺乏基本的了解,并且可以发现许多合金开发和实施的机会。本文介绍了一种能够解决这些问题的多层构建的高通量原位 DED 系统。通过广泛的工艺参数扫描研究了层高和能量密度的影响,展示了高通量设置的强大功能,同时还讨论了多层相互作用。
在过去十年中,增材制造业(AM)引起了各种行业的极大关注,这从近年来AM销售的急剧增长中可以明显看出(Wohlers报告,2020年)。am可以通过零件的一层制造很容易产生复杂的形状;因此,AM对金属的适用性是一个重要的问题,尤其是随着航空航天行业对复杂零件的需求的增加。根据ASTM International(ASTM International,2012年),AM分为七种类型,但指示能量沉积(DED)是用于金属制造中应用的合适候选者。DED可以通过同时向底板上提供热能和材料来有效地制造大规模的复合产物。使用高功率热源可以轻松提高制造效率并提供大量材料;但是,很难在做出的零件中实现质量增强,例如形状的准确性和密度增强。密度增强是DED的重大挑战,因为沉积物内的残留孔会引起应力浓度,从而降低了其机械强度。因此,通过修改制造条件,由于剩余孔的残留孔而试图解决低机械强度的问题(Fayazfara等,2018; Zhonga等,2015),并分析
先进热成像越来越多地被投入到直接能量沉积 (DED) 增材制造 (AM) 中,以应对熔池的信息可见性和解决工艺不一致问题。然而,当前图像引导监测方法在 DED 工艺中的可行性存在关键挑战。首先,高分辨率热图像由数百帧捕获的数百万像素组成,导致分析中的维数灾难。其次,各种外生噪声、结构不良的数据和严重的聚类不平衡限制了当前方法执行实时监控的能力。本研究的目的是通过设计一种针对高维热图像数据的自动和无监督异常检测来推进 DED 工艺中熔池监测的前沿。具体来说,我们开发了一个变分自动编码器来生成每个输入热图像数据的低维表示。高斯混合模型和 K 均值聚类与生成模型相结合,将潜在空间分成同质区域并检测异常。实验结果表明,所提出的方法对缺陷熔池的检测非常有效,准确率高达 94.52%,误报率低于 2.1%。
激光作为热源用于表面改性、焊接、熔覆、定向能量沉积 (DED) 等多种材料加工应用,由于其固有特性而广受欢迎,即易于产生高功率密度、快速加热和冷却速率 (10 3 –10 6 C/s),同时将热影响区和变形降至最低。在这些应用中,DED 是一项相对较新的技术,由于其能够直接从 CAD 模型逐层沉积复杂组件,因此在世界范围内得到了广泛的研究。然而,该过程由于在积聚过程中的热积累而受到各向异性的影响,从而影响最终的微观结构、力学性能和几何完整性 [1]。已有多项研究报告了量化与峰值温度、熔池大小等有关的热积累,并控制工艺参数以实现均匀性。Song 和 Mazumder [2] 使用双色高温计开发了一种基于熔池温度的控制系统。根据温度变化调节激光功率,以改善表面和几何完整性。Ding 等人 [3] 通过感应和控制粉末流速和熔池尺寸,开发了一种机器人激光 DED 系统中的几何再现性实时反馈系统。
在过去的二十年中,金属增材制造 (AM) 已经成熟,同时变得更具成本效益。设备设计、机器人技术、控制和自动化方面的改进极大地提高了 AM 设备的规模、质量和一致性。如今,AM 技术正在被一系列行业采用,包括国防、航天、能源、石油和天然气、海洋、运输和医疗。与 AM 粉末床熔合技术相比,线材送料定向能量沉积 (DED) 工艺可以提供相对较低的成本和更高的生产率,以及制造更大结构的能力。此外,标准形式的线材原料在各种化学成分中均可商业化获得,并且可以很容易地与 DED 工艺集成。尽管线材 DED 技术具有许多优势,但仍有大量研究机会来开发和验证这种有用的制造技术。虽然在展示线材 DED 工艺的各种认证程序方面取得了相当大的进步,但产品认证对于投入使用是一项巨大的技术经济挑战。即使有合格的工艺或材料,验证能够可靠地制造产品的 AM 技术也可能耗时且昂贵。产品认证可能包括超过 200 万美元的额外制造、测试和检验成本,然后才能发货任何可销售的产品。目前,只有少数组织能够证明其合格的制造操作能够在商业生产中生成组件。为了使 AM 技术继续扩大规模并蓬勃发展,必须增加获准制造产品的国内供应商数量。最近在铸造和锻造产品国内采购方面面临的挑战导致公司寻求替代制造方式
激光增材制造,通常称为激光3D打印(L3DP),在近净成形制造以及修复由单晶或定向凝固高γ′含量(> 60 %)镍基高温合金组成的燃气涡轮发动机部件方面具有巨大潜力[1]。根据送粉策略,L3DP可分为直接能量沉积(DED)或粉末床熔合(PBF)。由于热源集中且热输入减少,在DED和PBF过程中都会出现与构建方向平行的陡峭温度梯度,从而有利于外延晶体沿基板金属取向生长。同时,在DED和PBF工艺的快速凝固中,可以生成长度从纳米到亚毫米的异质微观结构[2-5]。这些是通过传统制造方法无法实现的。 L3DP 固有的高冷却速度严重抑制了二次枝晶臂的生长,因此在缺乏晶体取向知识的情况下很难区分胞状结构和枝晶 [6]。因此,术语“胞状结构”通常用于表示 3D 打印合金中的胞状/枝晶结构。细胞结构
金属增材制造 (MAM) 是一项快速发展的技术,有可能彻底改变制造业。当前的 MAM 工艺之一是直接能量沉积 (DED),它使用逐层沉积来设计零件以进行整合并最大限度地减少材料浪费。然而,DED 工艺的反复加热和冷却通常会导致 AM 组件发生变形,从而导致过早失效。该研究利用数值计算软件 Simufact Welding 对利用 DED 工艺在 SS316 基材上增材制造的 Inconel 718 的热致变形进行了数值计算分析。Inconel 718 组件和 SS316 基材的几何设计旨在更深入地了解 LMD 工艺的变形行为。模拟结果表明,变形随层数的增加而增加,并且变形率沿沉积高度而变化。节点 S3 和 S5 处的基材变形在每一沉积层中均呈线性增加,但在最后四层中节点 S1 和 S2 处的变形速率降低,这表明基材和沉积材料之间的温度均匀性。
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摘要:定向能量沉积(DED)是添加剂制造技术的家族。使用这些过程,金属零件是按一层构建的,引入了在时间和层域传播的动力学,这意味着更复杂的性能,因此很难预测所产生的零件质量。控制沉积层厚度和高度是一个关键问题,因为它会影响几何准确性,过程稳定性和产品的整体质量。因此,需要使用适当的传感器策略的DED流程进行在线反馈高度控制。这项工作通过与640 nm波长脉冲照明激光器同步的CCD摄像头的离轴呈现出新型的基于视觉的三角剖分技术。图像处理和机器视觉技术允许金属固化后的在线高度测量。通过激光金属沉积(LMD)过程中的OFF和进程试验验证了拟议设置的线性和精度。此外,还针对基于ARC的DED过程测试了开发的在线检查系统的性能,并与实验焊珠特征数据进行了比较。在最后一个情况下,该系统还允许测量焊珠宽度和接触角,这在多层堆积的最初运行中至关重要。