Process and structure design in laser-powder bed fusion technique for high-performance structures

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As laser-powder bed fusion (L-PBF) has got a spotlight due to its advantage of saving cost and time for building complex structures, the L-PBF have been widely studied for industrial applications. However, there still remain critical challenges and issues in the L-PBF technique in terms of quality assurance and low properties. During the process, a laser selectively melts spread powders layer-by-layer, and therefore there arise complex interactions between melt pool, particles, and previous tracks/layers because of rapid heating and cooling cycles. The process makes it hard to predict qualities and properties of as-built parts. Therefore, the desirable processing conditions in the L-PBF have been explored via a trial-and-error effort, which requires substantial cost and time. Therefore, in this study, a systematic and integrated method to design the process and high-performance additively-manufactured (AM) structures were suggested through an empirical and numerical modeling.
Firstly, the effect of qualities and properties of as-built 17-4 PH stainless steel (SS) were investigated to empirically understand the process and explore the way to improve mechanical properties. Densification, thermal deformation, and anisotropic properties of as-built and heat-treated parts were comprehensively investigated.
Secondly, the L-PBF process was optimized based on printability maps of 17-4 PH SS. The qualities, properties, resolution, and productivity were the considerations for determining the processing conditions in building complex structures with the desirable qualities and properties. Particularly, a microscale process was deeply investigated via a thermal-fluid simulation model
Thirdly, the complex structures such as bio-inspired or meta-structures were manufactured with the optimum conditions for the L-PBF process. Multi-performances of the structures were carefully explored via several tests with respect to a lightweight, high specific stiffness/strength, noise/vibration reduction, heat dissipation, and thermal insulation.
The works could give a guideline of the design of material-process-structures in the L-PBF, and therefore AM technique is expected to achieve technological advances by overcoming the aforementioned challenges.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 금속 3D 프린팅 기법 중 하나인 Laser powder bed fusion (L-PBF)에서의 공정 및 후공정를 연구 및 설계하고, 이를 기반으로 새로운 구조물을 제작하여 실 산업에서의 L-PBF 활용 가능성을 보이고자 했다.
1. L-PBF 공정 및 후공정(열처리) 연구
L-PBF 공정에서 주요한 공정변수 중 하나인 레이저 파워와 스캔 속도에 따른 부품의 품질(상대밀도, 열변형)과 물성(경도, 인장 및 펀치 시험 물성)을 분석하였다. 이와 더불어 3가지 종류의 열처리 기법(열간등압성형가공, 용체화처리, 시효열처리)을 조합한 7종류의 열처리 기법에 따른 출력물의 품질 및 물성 개성/저하 정도를 분석하고, 산업에 활용 가능한 L-PBF 공정조건과 열처리 기법을 도출하였다.
2. 멀티스케일 L-PBF 공정 최적화
L-PBF에서 품질과 물성을 결정하는 주요한 공정조건들이 매우 많아 기존에는 작업자들이 시행착오방식으로 공정조건을 탐색하였다. 본 연구에서는 이를 극복하기 위해 다양한 요소(기공율, 해상도, 경도, 인장물성, 생산성)들을 고려하여 프린팅 가능한 맵을 제안하였다. 프린팅 맵은 마이크로스케일에서 매크로스케일에 이른 실험과 해석이 병행된 L-PBF 공정분석을 기반으로 구축하였다. 위 프린팅 맵을 기반으로, L-PBF 관련 종사자/엔지니어들이 요하는 다양한 품질 및 성능을 충족하는 L-PBF 공정조건을 설계할 수 있을 것이다.
3. 적층제조 기반 셀 구조 개발
미래 모빌리티에 대한 관심이 증대됨에 따라 미래모빌리티에서 요하는 다양한 성능(경량, 고강도/강성, 에너지 흡수, 진동/소음 저감 등)을 지닌 소재/구조에 대한 연구가 지속되고 있다. 하지만 기존의 소재 및 제조기법으로 제작된 구조들로는 대립되는 성능을 모두 충족시키기는 어렵다. 따라서 본 연구에서는 적층제조 방식을 활용하여 이를 극복할 수 있는 구조물 설계안을 제시하였다. 주제 2에서 최적화된 L-PBF 공정조건을 기반으로 경량, 고강성, 진동저감, 및 고방열 또는 단열 특성을 지닌 구조를 설계하기 위해, 다양한 메타구조와 생체모방 구조들의 특성들을 종합적으로 평가하여 탁월한 성능을 지닌 단위셀 구조들을 선정하였다. 위의 메타구조 및 생체모방 구조의 단위셀 설계 기술과 이를 구현하기 위한 공정 최적화 기술은 복합 성능을 요하는 다양한 미래 모빌리티 관련 산업군에 활용 가능할 것으로 사료된다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. INTRODUCTION 1
• 1.1. Background 1
• 1.1.1. Laser-powder bed fusion technique 1
• 1.1.2. Bioinspired- or meta-structure 4
• 1.2. Scope of this study 8
• Chapter 2. Effects of L-PBF Process and heat treatments on Qualities and Properties of As-built 17-4PH Stainless Parts 10
• Abstract 11
• 2.1. Introduction 12
• 2.2. Experiments 14
• 2.2.1. Manufacturing process 14
• 2.2.2. Heat treatments 15
• 2.2.3. Quality evaluation 16
• 2.2.4. Mechanical test 17
• 2.2.5. Simulation model 19
• 2.3. Results and discussion 21
• 2.3.1. As-built and heat-treated qualities 21
• 2.3.2. As-built and heat-treated microstructures 31
• 2.3.3. As-built and heat-treated properties 35
• 2.4. Conclusions 42
• Chapter 3. Printability map of 17-4 PH Stainless Steel for the L-PBF technique based on a semi-empirical model 44
• Abstract 45
• 3.1. Introduction 46
• 3.2. Experiments 49
• 3.2.1. Manufacturing process 49
• 3.2.2. Quality evaluation 50
• 3.2.3. Mechanical test 51
• 3.2.4. Simulation model 52
• 3.3. Results and discussion 53
• 3.3.1. Microscale design of L-PBF process 53
• 3.3.2. Meso-to-macroscale design of L-PBF process 63
• 3.3.3. Printability map in L-PBF process 66
• 3.4. Conclusions 72
• Chapter 4. Additive Manufacturing of High-Performance Structures with Uncompromised Properties: Strong, Lightweight, and Energy Absorbing Properties 74
• Abstract 75
• 4.1. Introduction 76
• 4.2. Experiments 79
• 4.2.1. Manufacturing process 79
• 4.2.2. Mechanical test 79
• 4.2.3. Simulation model 80
• 4.2.4. Performance evaluation 83
• 4.3. Results and discussion 85
• 4.3.1. Compressive behavior 85
• 4.3.2. Frequency response 88
• 4.3.3. Heat dissipation 96
• 4.3.4. Design of BIMS 100
• 4.4. Conclusions 102
• Chapter 5. Summary and conclusions 103
• 5.1. Investigation of L-PBF process and heat treatment 106
• 5.2. Optimization of L-PBF process through a multiscale designing method 107
• 5.2. Multi-performances structures 107
• Chapter 6. Industrial applications and future work 109
• References 111