Ainetta lisäävällä valmistuksella tuotettujen metallikappaleiden sisäisten kenno- ja ristikkorakenteiden vaikutus väsymiskestävyyteen

Abstract

Tämä opinnäytetyö oli osa Savonia-ammattikorkeakoulun DeAdMan-hanketta, jonka tavoite oli kartoittaa ainetta lisäävän valmistuksen tuomia mahdollisuuksia ja suunnitteluperiaatteita yhteistyöyrityksille. Opinnäytetyön tarkoitus oli tutustua ainetta lisäävällä valmistuksella tuotettujen metallisten osien särönkasvuun, sisäisiin rakenteisiin ja niiden ominaisuuksiin sekä selvittää voiko särönkasvua pysäyttää käyttämällä sisäisiä rakenteita.

Aiheeseen liittyvään teoriaan tutustuttiin kirjallisuustutkimuksen kautta, jota seurasi koekappaleiden suunnittelu SolidWorks-ohjelmalla ja FEM-analyysi Ansys-ohjelmalla. FEM-analyysillä varmennetut koekappaleet oli määrä valmistaa ainetta lisäävällä valmistuksella 3DP- ja DMLS-tekniikoilla EOS 316L ja 420SS/pronssista. Valmistuksessa tapahtuneiden viivästysten takia vain 420SS/pronssi-koekappale saatiin testattua. Koekappaleelle suoritettiin dynaaminen väsytyskoe Walter + Bai AG LFV 500-HH –kuormituskehällä, joka keskeytettiin särön etenemisen tutkimista varten. Särön etenemistä pyrittiin tutkimaan MicroCT-laitteella otetuilla röntgenkuvilla. MicroCT-laite paljastui kuitenkin kuvauksiin sopimattomaksi ja sen sijaan säröjen tutkimiseen käytettiin tunkeumanestetarkastusta ja stereomikroskooppia.

Tutkimuksessa havaittiin, että FEM-analyysi kohdistaa voiman totuuden mukaisesti koekappaleen uraan. Väsyttävän kuormituksen arvioitu voima oli kuitenkin sopimaton 3DP-koekappaleelle ja testissä kappaleeseen muodostui uran läheisyyteen vain yksi näkyvä makrosärö ja kahdeksan mikrosäröä. 420SS/pronssin väsymiskestävyys osoittautui arvioitua paremmaksi vaikkakin epätasaiseksi. Tekniikalla tuotettujen sisäisten rakenteiden väsymiskestävyyden arvioidaan olevan ulkoisia rakenteita heikompi huonomman pinnanlaadun takia. Sisäisten rakenteiden arvioidaan olevan soveltuvampia DMLS-tekniikalla tuotettuihin kappaleisiin, sillä tekniikan tuottama pinnanlaatu on huomattavasti parempi.

This thesis was a part of the DeAdMan-project in which Savonia University of Applied Sciences surveyed possible applications and design guidelines for additive manufacturing for local companies. The objective of this thesis was to study the fracture mechanics of parts produced with metal additive manufacturing, study lattice structures and find out whether it is possible to stop fracture growth using a lattice structure.

First the theoretical background was studied and then 3D models of the specimen were made using SolidWorks. The 3D models were verified and analyzed using Ansys. The verified 3D models were to be manufactured using 3DP and DMLS additive manufacturing techniques from EOS 316L and 420SS/bronze. Due to delays in manufacturing only a single 420SS/bronze sample was tested. The sample was dynamically fatigue tested using Walter + Bai AG LFV 500-HH fatigue testing machine. The fatigue test was interrupted to study fracture growth using X-ray pictures taken with MicroCT X-ray apparatus but it was quickly found out that X-rays were unable to penetrate the shell of the sample. As an auxiliary method a penetrant inspection was performed followed by surface inspection with a stereomicroscope.

The tests showed that the theoretical position of maximal stress was in the same place as the actual position of maximal stress. However, the testing load was not correct for the 3DP sample as only one macro fracture and eight micro fractures were formed during fatigue testing. The fatigue strength of 420SS/bronze was proved to be good but it varied a lot. Lattice structures manufactured with 3DP had poor surface quality and as such they are estimated to have lower fatigue strength than surface features. It is estimated that lattice structures manufactured using DMLS are more fatigue resistant as the surface quality produced by the technique is better.