[논문 리뷰] 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)|2021. 07. 30.

Additive Manufacturing Materials and Processes참고 문헌 52인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 전자빔 풍선 분말층융착(EB-PBF)에서 사전가열 온도(650–730 °C)가 Ti-6Al-4V 분말층의 효과적 열전도도에 미치는 영향을 조사한다. X선 단층촬영과 경험적 모델링을 활용하여, 온도 상승에 따라 밀도, 접촉 면적 비율, 연계 수가 증가함에 따라 열전도도가 선형적으로 증가함을 입증한다. 이는 1.75에서 2.11 W/m·K로 증가한다.

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.

연구 동기 및 목표

• EB-PBF에서 사전가열 온도를 다양하게 조절할 경우 분말층의 현장에서 측정되는 열적 및 구조적 특성에 미치는 영향를 이해하기 위해.
• 다양한 사전가열 조건에서 Ti-6Al-4V 분말층의 효과적 열전도도를 정량화하기 위해.
• 밀도, 접촉 면적 비율, 연계 수와 같은 미세구조적 매개변수를 열전도도 변화와 연관지기 위해.
• 사전가열 온도에 대한 효과적 열전도도를 경험적으로 유도한 모델을 개발하기 위해.
• 분말층의 응집력과 열적 반응을 제어함으로써 공정 최적화 및 후처리 분말 제거를 지원하기 위해.

제안 방법

• 650 °C, 690 °C, 730 °C의 세 가지 사전가열 온도에서 독립적인 EB-PBF 시험을 수행하였다.
• 후처리 분석을 위해 현장에서의 분말층 형태를 유지할 수 있도록 고유한 분말 캡처 애트리팩트를 제작하였다.
• X선 단층촬영(XCT)을 활용하여 밀도, 접촉 면적 비율, 연계 수와 같은 미세구조적 매개변수를 측정하였다.
• 측정된 미세구조 데이터를 기반으로 사전가열 온도와 효과적 열전도도 간의 관계를 연결하는 경험적 모델을 개발하였다.
• 측정된 미세구조 변화를 바탕으로 효과적 열전도도를 계산하고, 실험적 경향과의 일치 여부를 검증하였다.
• 열전도도와 구조적 매개변수 간의 상호의존성을 분석하여 사전가열의 영향을 분리해내었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 EB-PBF에서 사전가열 온도는 Ti-6Al-4V 분말층의 효과적 열전도도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 사전가열 온도 상승에 따라 어떤 미세구조적 변화(밀도, 접촉 면적 비율, 연계 수)가 발생하는가?
• RQ3 미세구조적 매개변수는 효과적 열전도도 변화와 어느 정도 상관관계가 있는가?
• RQ4 사전가열 온도와 미세구조를 기반으로 경험적 모델이 효과적 열전도도를 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ5 사전가열 온도의 변화는 분말층의 응집력과 소결 거동에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• Ti-6Al-4V 분말층의 효과적 열전도도는 650 °C에서 1.75 W/m·K에서 730 °C에서 2.11 W/m·K로 선형적으로 증가하였다.
• 사전가열 온도 상승에 따라 밀도는 58.42%에서 61.87%로 증가하여 더 조밀한 분말층 형성이 이루어졌음을 나타냈다.
• 접촉 면적 비율은 0.45에서 0.48로 증가하여 열소결에 의해 입자 간 접촉 면적이 증가함을 반영하였다.
• 연계 수는 3.36에서 3.58로 증가하여 고온에서 더 안정적이고 상호연결된 입자 네트워크가 형성됨을 나타냈다.
• 관측된 열전도도 증가는 열적 사전가열에 의해 유도된 미세구조 변화와 직접적으로 관련이 있었다.
• 경험적으로 유도된 모델은 사전가열 온도와 효과적 열전도도 간의 선형 관계를 성공적으로 기록하였다.