[論文レビュー] Effect of varying preheating temperatures in electron beam powder bed fusion: Part I Assessment of the effective powder cake thermal conductivity

Gitanjali Shanbhag, Mihaela Vlasea|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2021

Additive Manufacturing Materials and Processes参考文献 52被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、電子ビーム粉末床溶融（EB-PBF）におけるTi-6Al-4V粉末ケーキの有効熱伝導率に及ぼす事前加熱温度（650–730 °C）の影響を調査する。X線コンputedトモグラフィーと経験的モデルを用いて、温度上昇に伴い密着度、接触面積比、連絡数が向上することで、熱伝導率が1.75から2.11 W/m·Kに線形的に上昇することを示した。

ABSTRACT

One of the major barriers in adapting the existing EB-PBF process parameters to a new powder material system is controlling the preheating conditions such that every layer of powder results in enough partial sintering to create a coherent powder cake. To be able to understand the powder sintering process and adapt it to other materials, we must look at the degree of sintering and the effective thermal conductivity of the powder bed. An in-depth understanding of these characteristics will help tailor the preheating conditions and furthermore, make it easier to remove/de-powder intricate parts after build completion without compromising the advantages of the preheating phenomenon. This study evaluates the impact of preheating temperature on the in-situ powder cake properties. Three different preheat temperatures, 650 °C, 690 °C and 730 °C, are employed to a Ti-6Al-4V powder cake and in each standalone build, unique powder-capture artefacts are fabricated to be able to analyze the in-situ powder cake properties using X-ray computed tomography. An empirically-derived model for thermal conductivity of the powder cake as a result of changing the preheating temperatures, was obtained. The results demonstrated that the effective thermal conductivity of the powder cake at a given preheating temperature strongly depends on the packing density, contact size ratio and coordination number. An increase in preheating temperature, lead to a linear increase in the packing density (from 58.42% to 61.87%), contact size ratio (from 0.45 to 0.48), coordination number (from 3.36 to 3.58) and the effective thermal conductivity (from 1.75 W/m/K to 2.11 W/m/K) of the powder cake.

研究の動機と目的

• EB-PBFにおける粉末ケーキのイン・サイト熱的および構造的性質に及ぼす事前加熱温度の変動の影響を理解すること。
• 異なる事前加熱条件下でのTi-6Al-4V粉末ケーキの有効熱伝導率を定量すること。
• 密着度、接触面積比、連絡数といった微細構造的パラメータと熱伝導率の変化の相関関係を特定すること。
• 事前加熱温度を関数とする有効熱伝導率の経験的モデルを構築すること。
• 粉末ケーキの凝集性および熱的応答の制御を高め、プロセス最適化とビルド後粉体除去を支援すること。

提案手法

• 650 °C、690 °C、730 °Cの3つの事前加熱温度で、独立したEB-PBFビルドを実施した。
• ビルド後の分析に適したイン・サイト粉末ケーキの形態を保持するため、独自の粉末捕捉アーティファクトを製作した。
• X線コンputedトモグラフィー（XCT）を用いて、密着度、接触面積比、連絡数を含む微細構造的パラメータを測定した。
• 測定された微細構造的データを基に、事前加熱温度と有効熱伝導率の関係を結ぶ経験的モデルを構築した。
• 測定された微細構造的進化を用いて有効熱伝導率を計算し、実験的傾向と照合してモデルを検証した。
• 熱伝導率と構造的パラメータの相関関係を分析し、事前加熱の影響を明確に分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 事前加熱温度は、EB-PBFにおけるTi-6Al-4V粉末ケーキの有効熱伝導率にどのように影響するか？
• RQ2 事前加熱温度の上昇に伴い、どのような微細構造的変化（密着度、接触面積比、連絡数）が生じるか？
• RQ3 微細構造的パラメータは、有効熱伝導率の変化とどの程度相関しているか？
• RQ4 事前加熱温度および微細構造に基づいて、有効熱伝導率を正確に予測できる経験的モデルは構築可能か？
• RQ5 事前加熱温度の変動は、粉末ケーキの凝集性および焼結挙動にどのように影響するか？

主な発見

• Ti-6Al-4V粉末ケーキの有効熱伝導率は、650 °Cで1.75 W/m·Kから730 °Cで2.11 W/m·Kへと線形的に上昇した。
• 事前加熱温度の上昇に伴い、密着度は58.42%から61.87%に上昇し、より密度の高い粉末層の形成を示した。
• 接触面積比は0.45から0.48に上昇し、熱的焼結に起因する粒子間接触面積の増加を反映した。
• 連絡数は3.36から3.58に上昇し、高温域でより安定的かつ相互接続された粒子ネットワークが形成されたことを示した。
• 観察された熱伝導率の上昇は、熱的事前加熱に起因する微細構造的進化と直接関連していた。
• 経験的に導出されたモデルは、事前加熱温度と有効熱伝導率の間の線形関係を的確に捉えていた。