Výzkumnéaktivity

Aditivní zpracování kovových materiálů

Abstrakt:
Podstatou výzkumných aktivit je rozšiřování poznatků o aditivním zpracování kovových materiálů pomocí procesu laserové fúze kovových prášků (LPBF). Cílem je pochopit závislosti mezi procesními parametry, mikrostrukturou a mechanickými vlastnostmi pokročilých materiálů, což je klíčové pro jejich efektivní využití v aplikacích s vysokou přidanou hodnotou, jako jsou letectví a medicína.

Cíle výzkumu:

  • Zpracovat materiály pro vysokoteplotní aplikace pomocí LPBF.

  • Prozkoumat LPBF zpracování biokompatibilních a biodegradabilních materiálů pro medicínské aplikace.

  • Numericky a experimentálně popsat mechanické vlastnosti prutových struktur.

Specifikace výzkumu:
Aditivní zpracování kovových materiálů přináší nové možnosti výroby vysoce komplexních dílů z obtížně obrobitelných materiálů. To umožňuje vyrábět prostorové tenkostěnné a prutové struktury, které jsou klasickými technologiemi nedosažitelné. Díky široké variabilitě a snadné skokové či gradientní změně tvaru lze dosáhnout specifických materiálových vlastností v určitých směrech či místech, což umožňuje vylepšení vlastností dílů pro širokou škálu aplikací.

Výzkum se zaměřuje na popis vztahů mezi procesními parametry, relativní hustotou, strukturou povrchu a mechanickými a tepelnými vlastnostmi aditivně vyráběných materiálů a tenkostěnných a prutových struktur. Cílem je tyto vztahy zachytit a rozšířit tak další aplikaci na průmyslové komponenty. Metodika výzkumu proto pokrývá celý výrobní řetězec od analýzy vlastností prášků, přes modifikaci výrobních strategií, řízený proces až po následné tepelné zpracování nebo povrchové úpravy.

V uplynulém období byly zpracovány nové, průmyslově dosud neetablované materiály, jako jsou hořčíkové slitiny (WE43, AZ61) a nelegované kovy (čistá měď, železo, titan). Současně byly odlaďovány specifické výrobní parametry a podpůrné struktury pro tenkostěnné komponenty leteckých motorů z teplotně odolných niklových a kobaltových slitin (Inconel 718, Inconel 939, CoCr), kvalifikovány hliníkové slitiny (AlSi10Mg, AlSi7Mg0,6) a optimalizovány letecké komponenty z těchto slitin. Výzkum také zahrnoval výpočtové modelování a úpravu procesních parametrů pro mikro-prutové struktury z nerezové oceli a hliníkové slitiny.

Mezi klíčové výsledky patří prokázání ztráty plasticity u aditivně vyráběné slitiny Co-28Cr-6Mo a vývoj modifikovaného tepelného zpracování k eliminaci této nestability při zvýšených teplotách; zpracování Inconelu 939 a čisté mědi při vysokých teplotách; zvládnutí LPBF zpracování bioresorbovatelné hořčíkové slitiny WE43 a biokompatibilních titanových slitin. Popsány byly také mechanické vlastnosti prutových struktur, včetně výrobních strategií a validovaných numerických modelů, což přispívá k rozvoji pokročilých aplikací ve strojírenství a medicíně.

Publikace:
MALÝ, M.; HÖLLER, C.; SKALON, M.; MEIER, B.; KOUTNÝ, D.; PICHLER, R.; SOMMITSCH, C.; PALOUŠEK, D. Effect of Process Parameters and High-Temperature Preheating on Residual Stress and Relative Density of Ti6Al4V Processed by Selective Laser Melting. Materials, 2019, vol. 12, no. 6, p. 1-13. ISSN: 1996-1944.
https://doi.org/10.3390/ma12060930

VRÁNA, R.; JAROŠ, J.; KOUTNÝ, D.; NOSEK, J.; ZIKMUND, T.; KAISER, J.; PALOUŠEK, D. Contour laser strategy and its benefits for lattice structure manufacturing by selective laser melting technology. Journal of Manufacturing Processes, 2022, vol. 74, no. 1, p. 640-657. ISSN: 1526-6125. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2021.12.006

SUCHÝ, J.; KLAKURKOVÁ, L.; MAN, O.; REMEŠOVÁ, M.; HORYNOVÁ, M.; PALOUŠEK, D.; KOUTNÝ, D.; KRIŠTOFOVÁ, P.; VOJTĚCH, D.; ČELKO, L. Corrosion behaviour of WE43 magnesium alloy printed using selective laser melting in simulation body fluid solution. Journal of Manufacturing Processes, 2021, vol. 69, no. 1, p. 556-566. ISSN: 1526-6125. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2021.08.006


Partneři a spolupráce:
Ústav fyziky materiálů AV ČR, v. v. i., Žižkova 513/22, 616 00 Brno, Česká republika.

CEITEC – Středoevropský technologický institut, Purkyňova 123, Brno, Česká republika.

Technická univerzita Vídeň, Institute of Lightweight Design and Structural Biomechanics, Gumpendorfer Straße 7 / Objekt 8, A-1060 Vídeň, Rakousko.

TU Graz, Institute of Materials Science, Joining and Forming, Kopernikusgasse 24/I, 8010 Štýrský Hradec, Rakousko.


Projekty:
MEBioSys – Strojní inženýrství biologických a bioinspirovaných systémů, OP JAK Špičkový výzkum, CZ.02.01.01/00/22_008/0004634, 2023-2028.

BAANG – Building Actions in Smart Aviation with Environmental Gains, EU-HORIZON EUROPE, HORIZON-WIDERA-2021-ACCESS-03, SEP-210806308, 2022-2025.

Aditivní výroba komponent turbínového motoru z žárupevné slitiny IN939, Technologická agentura ČR – Program na podporu aplikovaného výzkumu ZÉTA, TJ04000314, 2020-2022.

ReMaP – Výzkum hořčíkových slitin pro aditivní výrobu strukturálních a biomedicínských dílů, Interreg Rakousko-Česká republika, ATCZ229, 2020-2022.

Biodegradovatelné strukturované implantáty vyrobené metodou 3D tisku kovů, Ministerstvo průmyslu a obchodu ČR – TRIO, FV20232, 2017-2021.

Národní centrum kompetence Mechatroniky a chytrých technologií pro strojírenství (NCK MESTEC), Technologická agentura ČR – Program Národní centra kompetence 1, TN01000071, 2019-2022.

Materiály s vnitřní architekturou strukturované pro aditivní technologie, Operační program EU Výzkum, vývoj a vzdělávání, EF16_025/0007304, 2018-2022.

Národní centrum kompetence pro letectví a kosmonautiku, Technologická agentura ČR – Národní centra kompetence 1, TN01000029, 2019-2022

Additive Design for Aerospace Applications Capabilities (ADAAC), smluvní výzkum, ESA Express Procurement Plus – EXPRO+, AO/1-9018/17/NL/GLC/hh, 2018-2021.

Vývoj technologie 3D tisku pro vybrané materiály a topologická optimalizace komponent pro letecký průmysl, Technologická agentura ČR – Program na podporu aplikovaného výzkumu a experimentálního vývoje EPSILON, TH02010514, 2017-2019.

Kontaktní osoba:
doc. Ing. Daniel Koutný, Ph.D.