ARIS WEAVE NCN N2-0328: Vpliv temperaturnih razmer na mikrostrukturo in mehanske lastnosti aditivno izdelanih materialov

ARIS WEAVE NCN N2-0328: The influence of the thermal history on the microstructure and mechanical properties of additively manufactured materials

1. Povzetek raziskovalnega projekta

             Dodajalne tehnologije veljajo za tehnologijo prihodnosti za vitko proizvodnjo visokokakovostnih strojnih izdelkov iz plastike, keramike in kovinskih zlitin. Za razliko od proizvodnje z odnašanjem materiala mora imeti dober izkoristek materiala in energije. Za razliko od litja in kovanja mora biti dovolj prilagodljiva, da omogoča zelo hitro izdelavo kompleksnih delov brez vlaganja v orodje, kalupe in matrice. V zadnjih letih je število izdelkov, proizvedenih z dodajalnimi tehnologijami, močno naraslo in doseglo raven, za katero nekateri strokovnjaki menijo, da napoveduje novo industrijsko revolucijo. Dodajalne tehnologije se ne uporabljajo le za izdelavo prototipov (kot je bilo nekoč), ampak za izdelavo popolnoma funkcionalnih izdelkov v avtomobilski industriji, energetiki, biomedicinski industriji, živilski industriji, orodjarski in celo letalski in vesoljski industriji. Ena izmed najbolj pomembnih lastnosti aditivno izdelanih kovinskih izdelkov je homogenost strukture in mehanskih lastnosti glede na izdelavo z litjem. To naj bi dosegli z izdelavo po plasteh (z debelino plasti okoli 0,1 – 2 mm) in le z lokalnim pretaljevanjem materiala in podobnimi pogoji hlajenja. Vendar to velja le za zelo majhne izdelke in v večini primerov so končne nehomogenosti v lastnostih aditivno izdelanih izdelkov močno podcenjene. To je predvsem zato, ker je mikrostruktura običajno zelo podobna po celotnem volumnu izdelka, kar pomeni homogeno mikrostrukturo. Vendar pri večini inženirskih kovinskih zlitin mikrostruktura (razumljena kot velikost zrn, oblika zrn, vrsta) ne igra najpomembnejše vloge. Najpomembnejša lastnost je fazna sestava, ki ni odvisna le od kemične sestave zlitine, temveč predvsem od toplotne obdelave zlitine. Pri dodajalnih tehnologijah je material podvržen toplotni obdelavi na kraju samem, pri kateri se ciklično segreva (do temperature likvidusa) in hitro ohlaja, pri čemer se amplituda zmanjšuje s časom in napredkom pri izdelavi izdelka. Značaj teh toplotnih ciklov je v veliki meri odvisen od parametrov obdelave, kot so linearni vnos toplote (tj. moč laserja/elektronskega žarka/električnega obloka), hitrost gibanja dodajalne glave, debeline plasti in tudi od toplotne prevodnosti uporabljene zlitine, kot tudi vrste zaščitnega plina in zaščitne atmosfere. Ker je večino zlitin, ki se uporabljajo v industriji, mogoče toplotno obdelati (večina jekel, nikljeve zlitine, titanove zlitine, bakrove zlitine, aluminijeve zlitine), je treba v celoti razumeti izzive, ki jih povzročajo zelo specifični pogoji toplotne obdelave, da bi izboljšali lastnosti aditivno izdelanih izdelkov in se pri tem izognili potrebi po naknadni toplotni obdelavi. To ne le podraži izdelavo izdelkov, ampak lahko vodi tudi do degradacije in deformacij izdelkov ali pa je pri popravljenih izdelkih, še posebej tistih s funkcionalno porazdeljenimi lastnostmi, preprosto nemogoče izvesti.

             Namen projekta je raziskati vpliv zgodovine temperaturnih ciklov na mikrostrukturo in lastnosti aditivno izdelanih materialov. Zato bo najprej razvita metoda za določitev zgodovine temperaturnih porazdelitev v izdelku, ki bo temeljila na opazovanju z infrardečo kamero. Kasneje bo izvedeno numerično modeliranje procesa dodajalne izdelave z namenom določiti temperaturna in napetostna polja v posameznih izdelkih. Proučevali bomo vpliv procesnih parametrov na zgodovino temperaturnih polj v vzorcih, kasneje pa še vpliv temperaturne zgodovine na mikrostrukturo in lastnosti aditivno izdelanih izdelkov. Na koncu bo po potrebi predlagana toplotna po-obdelava in rezultati bodo eksperimentalno tudi preverjeni. V okviru projekta bomo primerjali dve tehniki neposrednega nanašanja energije (DED) – LENS (Laser Engineered Net Shaping) na Vojaški tehnični Univerzi v Varšavi na Poljskem in WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) na Univerzi v Ljubljani, da bi ugotovili glavne razlike pri gradnji srednje velikih do velikih delov.

Vrednost projekta: 299.897,34 €

Trajanje projekta: 1.1.2024 – 31.12.2027

2. Sestava projektne skupine

Sestava projektne skupine  https://cris.cobiss.net/ecris/si/sl/project/21073

Vodja projekta: Damjan Klobčar

0782  Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo

0795  Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojništvo

1555  Univerza v Ljubljani, Naravoslovnotehniška fakulteta

Tuji partner projekta

Vodja projekta: Marek Krzysztof Polański

Vojaška tehnološka Univerza (www.wojsko-polskie.pl/wat/)

3. Delovni sklopi (DS) in opis njihove realizacije

Raziskovalni projekt je organiziran v več medsebojno povezanih delovnih sklopov (DS), ki obravnavajo različne vidike vpliva toplotne zgodovine med procesom dodajalne izdelave na mikrostrukturo in mehanske lastnosti materialov. Raziskave potekajo v sodelovanju med partnerjema UL (tehnologija WAAM) in MUT (tehnologija LENS), kar omogoča primerjalno analizo obeh pristopov dodajalne izdelave kovin.

V prvih dveh letih izvajanja projekta (2024–2025) je raziskovalno delo potekalo skladno z načrtovanimi cilji. Nekateri delovni sklopi so že zaključeni, drugi pa so trenutno v izvajanju.

DS1 – Razvoj metodologije merjenja temperature pri LENS in WAAM

Status: zaključeno

V tem delovnem sklopu je bila razvita eksperimentalna metodologija za merjenje temperaturnih polj med procesom dodajalne izdelave. Na obeh raziskovalnih sistemih (LENS na MUT in WAAM na UL) so bila vzpostavljena laboratorijska merilna mesta.

Za spremljanje temperature med izdelavo so bile uporabljene kombinacije termočlenov, infrardečih kamer in kamer v vidnem spektru, ki omogočajo merjenje v širokem temperaturnem območju. Posebna pozornost je bila namenjena zmanjševanju merilnih napak ter določanju emisivnosti materialov glede na temperaturo in procesne pogoje.

Rezultat sklopa je zanesljiv merilni sistem, ki omogoča natančno spremljanje temperaturnih polj med procesom dodajalne izdelave in predstavlja osnovo za nadaljnje raziskave v projektu.

Poleg tega je bila za spremljanje toplotnih polj, izdelanih s sistemom LENS®, zgrajena eksperimentalna postavitev, ki jo sestavljajo tri infrardeče kamere: OPTRIS PI640i s temperaturnim območjem 0–250 °C, OPTRIS PI640i s temperaturnim območjem 200–1500 °C in OPTRIS PI05M s temperaturnim območjem 900–2450 °C. Uporaba treh kamer omogoča snemanje temperaturnih sprememb v širokem območju od približno 0 do 2500 °C na stranski površini izdelane komponente.

Eksperimentalna postavitev je bila opremljena s pirometrom Optris CTratio 2MH1 s temperaturnim območjem 550–3000 °C, nameščenim na laserski glavi in ​​uporabljenim za spremljanje temperature taline. Celoten nadzorni sistem je bil nameščen v delovni komori naprave LENS®, kar je omogočalo meritve na terenu in snemanje temperaturnih polj med postopkom dodajalne izdelave.

Figure 1 Eksperimentalna postavitev.

DS2 – Numerično modeliranje temperaturnih polj pri LENS in WAAM

Status: v izvajanju

V okviru tega sklopa poteka razvoj numeričnih modelov prenosa toplote med procesom dodajalne izdelave. Simulacije se izvajajo z uporabo programskih orodij Abaqus in Flow-3D.

Cilj modeliranja je napovedovanje temperaturnih polj in toplotnih ciklov med izdelavo različnih geometrij in materialov. Rezultati simulacij se sproti primerjajo z eksperimentalnimi meritvami temperature, pridobljenimi v okviru sklopa DS1, kar omogoča validacijo in izboljšanje modelov.

Za numerično modeliranje procesov dodajalne izdelave (AM) smo uporabili programsko opremo ABAQUS in Simufact Welding. Numerični model je potrjen bil z merjenjem porazdelitve temperature med procesom WAAM in LENS z uporabo termočlena tipa B, privarjenega v vzorce stavbe (slika 2), ter z merjenjem premika substrata s tehniko DIC (slika 3).

Slika 2 Primer primerjave porazdelitve temperature, pridobljene medeksperimentom, in numeričnega modela za moč laserja: (a) 400 W in (b) 500 W.

Slika 3 Rezultati deformacije plošče iz: a) numeričnega modela, b) eksperimenta.

DS3 – Vpliv materiala in procesnih parametrov na temperaturna polja

Status: zaključeno

V tem sklopu je bila izvedena sistematična analiza vpliva materialnih lastnosti in procesnih parametrov na temperaturna polja med dodajalno izdelavo.

Raziskava je obravnavala vpliv:

• toplotne prevodnosti materiala,
• hitrosti nanašanja materiala,
• moči vira toplote,
• zaščitne atmosfere,
• geometrije in velikosti vzorcev,
• števila sočasno izdelanih vzorcev.

Rezultati omogočajo boljše razumevanje toplotnih ciklov med procesom izdelave, kar je ključno za napovedovanje strjevanja materiala, faznih transformacij ter za optimizacijo procesnih parametrov.

Z uporabo eksperimentalne postavitve iz DS1 je bila izvedena predhodna raziskava vpliva procesnih parametrov (kot sta debelina plasti in moč laserja) na temperaturna polja vzorcev, izdelanih s postopkom LENS in WAAM. Vsak vzorec je bil med izdelavo spremljan z infrardečimi kamerami. Na posnetih slikah/videoposnetkih je bilo za vsak vzorec identificiranih deset merilnih območij in analizirane so bile njihove lokalna temperaturna polja (temperatura v odvisnosti od časa) (slika 4).

Slika 4 Tankostenski vzorec z označenimi analiznimi območji in določeno toplotno zgodovino (temperatura–čas) za posamezna območja.

Na podlagi zabeleženih toplotnih zgodovin za posamezna območja vsakega vzorca sta bila analizirana temperaturno območje (slika 5) in toplotna izpostavljenost (slika 6) v treh značilnih conah vzorca: zgornjem, srednjem in spodnjem delu elementa.

Slika 5 Temperaturno območje za tri izbrana območja.

Slika 6 Toplotna izpostavljenost za tri izbrana območja.

DS4 – Analiza mikrostrukture glede na temperaturna polja

Status: v izvajanju

V tem delovnem sklopu raziskujemo, kako različna temperaturna polja med procesom dodajalne izdelave vplivajo na mikrostrukturo materiala.

Analize vključujejo preučevanje:

• razvoja kristalnih zrn,
• fazne sestave,
• lokalnih mikrostrukturnih sprememb.

Posebna pozornost je namenjena vplivu vibracij med procesom WAAM in naknadnih toplotnih obdelav na mikrostrukturo. Prvi rezultati kažejo, da vibracije lahko zmanjšajo velikost zrn, anizotropijo in poroznost materiala, kar pozitivno vpliva na lastnosti izdelkov.

DS5 – Analiza mehanskih lastnosti glede na toplotno zgodovino

Status: v izvajanju

V okviru tega sklopa preučujemo, kako temperaturni cikli med dodajalno izdelavo vplivajo na mehanske lastnosti materialov.

Raziskave vključujejo določanje:

• natezne trdnosti,
• meje tečenja,
• raztezka pri prelomu,
• trdote,
• lomne mehanike,
• odpornosti proti utrujanju.

Posebna pozornost je namenjena vplivu anizotropije materiala ter možnosti izboljšanja lastnosti z uporabo vibracij med procesom izdelave in ustreznih naknadnih toplotnih obdelav.

DS 6. Oblikovanje in eksperimentalna verifikacija rezultatov procesov toplotne obdelave, ki se uporabljajo za izbrane materiale, da se zmanjšajo razlike v lastnostih, ki jih povzročajo različna temperaturna polja v vzorcih, izdelanih z metodama (MUT) in WAAM (UL).

Status: začetek predviden v 27 mesecu izvajanja projekta

DS 7. Neposredna primerjava učinkov vnosa toplote, ki jo povzročata izdelovalni metodi LENS in WAAM, na mikrostrukturo in mehanske lastnosti proizvedenih vzorcev.

Status: začetek predviden v 39 mesecu izvajanja projekta

4. Bibliografske reference, ki izhajajo iz izvajanja projekta

[1] LINDIČ, Maja, KLOBČAR, Damjan, NAGODE, Aleš, MOLE, Nikolaj, ŽUŽEK, Borut, VUHERER, Tomaž. Heat treatment optimisation of 18 % Ni maraging steel produced by DED-ARC for enhancing mechanical properties. Journal of advanced joining processes. Jun. 2025, vol. 11, 100312, str. 1-12, ISSN 2666-3309. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666330925000330, DOI: 10.1016/j.jajp.2025.100312. [COBISS.SI-ID 237223939],

[2] IMŠIROVIĆ, Mirza, TRDAN, Uroš, KLOBČAR, Damjan, BRAČUN, Drago, NAGODE, Aleš, BERTHE, Laurent. Mitigating defects in directed energy deposited aluminium 5356 alloy through in-situ workpiece vibration. Journal of Materials Research and Technology. Nov.–Dec. 2024, vol. 33, str. 1581–1599, ilustr. ISSN 2238-7854. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2238785424021847, DOI: 10.1016/j.jmrt.2024.09.179. [COBISS.SI-ID 209073667],

[3] KLOBČAR, Damjan, TRDAN, Uroš, IMŠIROVIĆ, Mirza, BRAČUN, Drago, GHAVI, Mohammad Reza, VUHERER, Tomaž, POLANSKI, Marek, ÐURIĆ, Aleksija, BUŠIĆ, Matija, MILČIĆ, Miodrag. Enhancing the mechanical properties of directed energy deposition arc (DED-Arc) via processing innovations. V: MILČIĆ, Dragan (ur.). 11th International Scientific Conference IRMES 2025 : IRMES 2025, Vrnjačka Banja : proceedings Research and Development of Mechanical Elements and Systems. Niš: Faculty of Mechanical Engineering, [2025]. Str. xxxv-xlviii. https://irmes2025.masfak.ni.ac.rs/wp-content/uploads/2025/06/PB2.pdf, DOI: 10.46793/IRMES25.plB2K. [COBISS.SI-ID 243815171]

[4] NOVAK, Špela, KLOBČAR, Damjan, ŠČETINEC, Aljaž, BRAČUN, Drago, SELAK, Luka, TRDAN, Uroš, BUŠIĆ, Matija. Razvoj digitalnega dvojčka robotske varilne celice. V: Zbornik Dneva varilne tehnike 2025, Celje, Str. 95-101. [COBISS.SI-ID 237275395]

[5] IMŠIROVIĆ, Mirza, KLOBČAR, Damjan, BRAČUN, Drago, SELAK, Luka, TRDAN, Uroš, ASCENSO PIRES, Ines, SAVU, I. D., SAVU, Sorin Vasile. Improving DED Al5356 properties through in-situ workpiece vibrations. V: Zbornik Dneva varilne tehnike 2025, Celje, Str. 117-122. [COBISS.SI-ID 237296643],

[6] IMŠIROVIĆ, Mirza, TRDAN, Uroš, KLOBČAR, Damjan, BRAČUN, Drago, NAGODE, Aleš. Enhancing directed energy deposited AL5356 through in situ workpiece vibrations. Advanced technologies and materials : glavni urednik Mladomir Milutinović. E-izd. 2024, vol. 49, no. 2, str. 43-47, https://atm-journal.uns.ac.rs/index.php/atm/article/view/ATM-2024-2-005, DOI: 10.24867/ATM-2024-2-005. [COBISS.SI-ID 222618627]

[7] NOVAK, Špela, KLOBČAR, Damjan, ŠČETINEC, Aljaž, BRAČUN, Drago, SELAK, Luka, TRDAN, Uroš. Razvoj digitalnega dvojčka robotske varilne celice. V: Akademija strojništva 2024, 10. december 2024. Ljubljana: ZSIS, 2024. Letn. 13, št. 1/6, str. 130-131. Svet strojništva. 13, št. 1/6. https://www.zveza-zsis.si/2024/11/30/svet-strojnistva-akademija-strojnistva-2024-december-2024/, DOI: 10.62020/svet.str.as2024044. [COBISS.SI-ID 219403779]

[8] IMŠIROVIĆ, Mirza, TRDAN, Uroš, KLOBČAR, Damjan, BRAČUN, Drago, NAGODE, Aleš, BERTHE, Laurent, BUŠIĆ, Matija, MILČIĆ, Miodrag, MILČIĆ, Dragan, ZDRAVKOVIĆ, Nataša, ĐURIĆ, Aleksija. Enhancing directed energy deposited AL5356 through in situ workpiece vibrations. V: MARKOVIĆ, Biljana (ur.), MILUTINOVIC, Miroslav (ur.), MILIĆ, Davor (ur.). Proceedings : COMETa 2024 : 7th International Scientific Conference “Conference on Mechanical Engineering Technologies and Applications” : East Sarajevo, B&H, RS 14th – 16th November, 2024. University of East Sarajevo, Faculty of Mechanical Engineering, 2024. Str. 43-50. https://cometa.ues.rs.ba/Zbornik%20radova%20COMETa2024.pdf. [COBISS.SI-ID 249122307]

[9] TRDAN, Uroš, IMŠIROVIĆ, Mirza, NAGODE, Aleš, ČEPON, Gregor, BERTHE, Laurent, KLOBČAR, Damjan. Implementing laser shock peening and in-situ vibrations for enhancing properties of directed energy deposited Al 5356 alloy. V: 9th ICLPRP International Conference on Laser Peening and Related Phenomena: Prague, Czech Republic, 28.9.- 3.10.2025: abstract book. Dolní Břežany: HiLASE, 2025. Str. 25. [COBISS.SI-ID 252488195]

[10] JENKO, Majda. Izdelava in analiza 3D navarjenih sten iz aluminijeve zlitine 7075 : magistrsko delo magistrskega študijskega programa II. stopnje Strojništvo. Ljubljana: 2024. XXII, 68 str. Repozitorij Univerze v Ljubljani – RUL. [COBISS.SI-ID 221245443]

[11] NOVAK, Špela. Razvoj digitalnega dvojčka robotske varilne celice: magistrsko delo magistrskega študijskega programa II. stopnje Strojništvo. Ljubljana: 2024. XXII, 77 str. Repozitorij Univerze v Ljubljani – RUL. [COBISS.SI-ID 186973443]

[12] KOS, David. Uporaba programa ENCY za programiranje robotskega varjenja in navarjanja : zaključna naloga Univerzitetnega študijskega programa I. stopnje Strojništvo – RRP. Ljubljana: 2025. XIII, 55 f. Repozitorij Univerze v Ljubljani – RUL. [COBISS.SI-ID 249290243]

[13] VALJAVEC, Tadej. Uporaba vodilne stene za izboljšanje oblike in enakomernosti nanašanja taline pri usmerjenem dodajanju materiala z energijo: zaključna naloga Univerzitetnega študijskega programa I. stopnje Strojništvo – RRP. Ljubljana: 2025. XV, 59 f. Repozitorij Univerze v Ljubljani – RUL. [COBISS.SI-ID 247997187]