Gli autori si desidera ringraziare il progetto di ricerca europeo appartiene al programma di ricerca e innovazione Orizzonte 2020 Borealis - classe 3A macchina flessibile per il nuovo additivo e sottrattivo di produzione sulla prossima generazione di complessi 3D parti metalliche

1. polvere caratterizzazione
<ol><li>Mettere 3 g di avvio Ti-6Al-4V polveri su un nastro biadesivo appiccicoso carbonio, che si trova su un albero mozzo perno di alluminio e inserisce all'interno della camera di esemplare di un microscopio elettronico a scansione di emissione di campo (FESEM) per analizzare la morfologia della polvere16.</li>
	<li>Misurare la densità apparente della polvere riempiendo un contenitore di3 cm 30 e misurare il peso di polvere secondo la norma ASTM-B212.</li>
	<li>Eseguire analisi chimiche di avviamento (5-10 g), utilizzato in polvere (5-10 g) e depositato blocco (20 g) per mezzo di elemental (ad es., Leco) e induttivamente accoppiato al plasma (ICP) analizzatore17.</li>
</ol>2. deposizione di energia diretta di singoli brani
<ol><li>
Carico di polvere
	<ol>
<li>Indossare dispositivi di protezione individuale, tra cui una maschera respiratoria FFP3 conforme ai requisiti della EN 149, guanti in nitrile monouso senza polvere e bicchieri di plastica protettive.</li>
		<li>Aprire la tramoggia della polvere sistema di alimentazione e utilizzare un aspiratore (ad es., ATEX) per rimuovere le polveri residue.</li>
		<li>Togliere la tramoggia seguendo le istruzioni fornite dal costruttore e pulire ogni componente utilizzando salviette di carta imbevuto di etanolo. Nota: Questo passaggio è fondamentale per evitare la contaminazione da diversi tipi di polveri metalliche.</li>
		<li>Rimontare la polvere tramoggia di alimentazione seguendo le istruzioni fornite dal costruttore. Lasciare da parte solo il tappo superiore della tramoggia al fine di eseguire il caricamento della polvere.</li>
		<li>La tramoggia di carico con polveri di Ti-6Al-4V avendo granulometria nel range di 50-150 µm. a seconda delle dimensioni della tramoggia disponibile, riempirlo completamente.</li>
		<li>Chiudere il tappo superiore della tramoggia molto strettamente al fine di evitare eventuali perdite di gas.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Preparazione del campione
	<ol>
<li>Prendere un foglio di Ti-6Al-4V con dimensioni di 50 x 50 mm e spessore 4 mm.</li>
		<li>Pulire la superficie del foglio di titanio con asciugamani di carta imbevuto di etanolo. Misurare il peso del foglio con una bilancia centesimale.</li>
		<li>Posizionare il foglio sull'area di lavoro in base alla posizione del marcatore. L'area di lavoro è dove la deposizione avrà luogo, quindi è determinato secondo il percorso programmato del robot.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Preparazione del Robot e la preparazione delle attrezzature deposizione
	<ol>
<li>Montare l'ugello sulla testa del laser in modo che l'angolo tra l'ugello e l'asse del laser è di 35°.</li>
		<li>Spostare il robot al punto di partenza di lavoro per eseguire la calibrazione.</li>
		<li>Controllare la distanza tra l'ugello ed il piano di lavoro e, se necessario, correggere manualmente la posizione dell'ugello fino a quando la distanza misurata è di 5 mm. Nota: Poiché l'area di lavoro si pone su un piano orizzontale, questa distanza è la distanza verticale tra la lamiera e la punta dell'ugello.</li>
		<li>Controllare il centraggio dell'ugello di uscita con il laser: Accendi la prima volta, la guida laser scegliendo il comando "Laser guida su" il software per il controllo del laser. Poi, mettere una canna sottile, misura 0,8 mm di diametro e 200 mm di lunghezza, all'interno dell'ugello. Verificare che la punta dell'asta e il luogo della guida laser sono coincidenti. In caso contrario, regolare manualmente la posizione dell'ugello, rispettando le distanze e gli angoli precedentemente indicati. Nota: In questo caso, il diametro esterno dell'ugello è 1 mm; Se viene impiegato un ugello con un diametro più piccolo, utilizzare una canna in cui il diametro è inferiore a quella dell'ugello.</li>
		<li>Verificare i dati di calibrazione scritti nel software di controllo di robot: fare clic sul pulsante "Applica" sul software e attendere la compilazione del codice. Nota: Il software controllerà per errori nel codice; Se non vengono rilevati errori, il codice è memorizzato sul controllo robot. Se vengono rilevati errori, il codice non compilato, e sarà necessari ulteriori revisione.</li>
		<li>Abilitare il modulo sorgente laser scegliendo il comando "Laser attiva" il software di controllo laser. Nota: La sorgente laser autonomo è un laser a fibra continua emissione nella regione dell'infrarosso (1064 nm) con 5 kW di potenza massima.</li>
		<li>Motori del robot per abilitare manualmente premendo il pulsante "Robot motori su" il quadro elettrico del robot e controllare che la sicurezza relative al LED è illuminata: se così, vuol dire che i motori siano abilitati.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Avviare il processo di deposizione
	<ol>
<li>Selezionare il corretto file all'elenco di programma esistente e caricare il percorso di lavoro nella routine robot principale.</li>
		<li>Verificare i parametri laser e robot: impostare la potenza del laser per la potenza del laser specifici (325, 650, 980, 1500 W) e la velocità del robot per una data velocità (30, 40, 50, 60 mm/s). Nota: Questi parametri sono scritti nel software di controllo del robot, secondo il linguaggio specifico della macchina.</li>
		<li>Confermare i nuovi parametri premendo il pulsante "Applica" sul software e aspettare per la compilazione del codice. Il software verificherà per errori nel codice; Se non vengono rilevati errori, il codice è memorizzato sul controllo robot ed è pronto per essere lanciato. Lanciare la routine di robot premendo il pulsante "START" il software di controllo del robot.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Raccogliere il campione utilizzando la pinza speciale e pulire la superficie del campione con un tovagliolo di carta imbevuto di etanolo per la rimozione di eventuali residui di polvere.</li>
</ol>3. analizzare le singole tracce
<ol><li>Analizzare le singole tracce dall'alto di un microscopio stereo a 5 ingrandimenti. Nota: In questa fase, alcune immagini sono prese per mezzo di un microscopio stereo e analizzate visivamente.</li>
	<li>Tagliare le singole tracce da metà delle tracce depositate perpendicolare alla direzione di deposizione utilizzando uno strumento di taglio preciso.</li>
	<li>Montare la sezione trasversale di singoli brani in resina epossidica. Scegliere una tazza di montaggio e introdurre la provetta pulita e asciutta in esso. Misurare con attenzione la corretta quantità di resina in peso (10 g/campione) e poi mescolare con un liquido indurente (6 g/campione). Versare la miscela di resina sopra il preparato e lasciare le tazze riempite montaggio per curare per 30 min a temperatura ambiente. Da allora in poi, macinare gli esemplari montati con 500, 800 e 1.200 grana dimensioni SiC e quindi lucidare utilizzando pasta di diamante verso il basso per le dimensioni più sottili di particelle di diamante (1 µm).</li>
	<li>Analizzare le superfici lucidate in termini di forma e porosità per mezzo di un microscopio ottico. Acquisire le immagini delle piscine si fondono con il microscopio ottico a 10 ingrandimenti e poi analizzarli utilizzando software di immagine-J.</li>
	<li>Misurare l'altezza delle piscine di fusione misurando la distanza tra la parte superiore e fondo della piscina si fondono. In seguito, è possibile tracciare l'altezza misurata di fusione piscine in funzione della densità specifica di energia, che viene calcolata secondo la sua equazione corrispondente. Infatti, la densità di energia può essere calcolata mediante la seguente equazione: <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/56966/56966eq1.jpg">
</li>
	<li>Montare una polinomiale di ordine 2nd sui risultati sperimentali per ottenere l'equazione corrispondente allo spessore di strato in funzione della densità di energia specifica.</li>
	<li>Considera una densità di energia specifica e calcolare lo spessore di strato secondo il loro rapporto, che è stata osservata nel passaggio precedente.</li>
	<li>Per verificare il metodo, fabbrichiamo un blocco multistrato considerando lo spessore calcolato e quindi caratterizzano la sezione dei blocchi in termini di porosità e altezza finale.</li>
	<li>Analizzare la microstruttura del blocco fabbricato dopo una lucidatura passo nella stessa procedura come sezione 3.3. Infatti, dopo la lucidatura finale, etch i campioni per 30 s con reagente di Kroll, che contiene 92 mL di acqua distillata, 6 mL di acido nitrico e acido fluoridrico 2 mL.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Banerjee, D., Williams, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Perspectives+on+Titanium+Science+and+Technology.">Perspectives on Titanium Science and Technology.</a> Acta Mater. 61 (3), 844-879 (2013).</li><li>Peters, M., Leyens, C., Peters, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Titanium and Titanium Alloys. , (2003).</li><li>Lin, J., Lv, Y., Liu, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microstructural+evolution+and+mechanical+property+of+Ti-6Al-4V+wall+deposited+by+continuous+plasma+arc+additive+manufacturing+without+post+heat+treatment.">Microstructural evolution and mechanical property of Ti-6Al-4V wall deposited by continuous plasma arc additive manufacturing without post heat treatment.</a> J Mech Behav Biomed Mater. 69 (December 2016), 19-29 (2017).</li><li>Saboori, A., Gallo, D., Biamino, S., Fino, P., Lombardi, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+Overview+of+Additive+Manufacturing+of+Titanium+Components+by+Directed+Energy+Deposition:+Microstructure+and+Mechanical+Properties.">An Overview of Additive Manufacturing of Titanium Components by Directed Energy Deposition: Microstructure and Mechanical Properties.</a> Appl Sci. 7 (9), (2017).</li><li>Wu, X., Liang, J., Mei, J., Mitchell, C., Goodwin, P. S., Voice, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microstructures+of+laser-deposited+Ti-6Al-4V.">Microstructures of laser-deposited Ti-6Al-4V.</a> Mater Des. 25 (2), 137-144 (2004).</li><li>Trevisan, F., Calignano, F., Aversa, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Additive+manufacturing+of+titanium+alloys+in+the+biomedical+field:+processes,+properties+and+applications.">Additive manufacturing of titanium alloys in the biomedical field: processes, properties and applications.</a> J Appl Biomater Funct Mater. , (2017).</li><li>Mahamood, R. M., Akinlabi, E. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scanning+speed+and+powder+flow+rate+influence+on+the+properties+of+laser+metal+deposition+of+titanium+alloy.">Scanning speed and powder flow rate influence on the properties of laser metal deposition of titanium alloy.</a> Int J Adv Manuf Technol. 91 (5-8), (2017).</li><li>Shim, D., Baek, G., Seo, J., Shin, G., Kim, K., Lee, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+layer+thickness+setting+on+deposition+characteristics+in+direct+energy+deposition+(+DED+)+process.">Effect of layer thickness setting on deposition characteristics in direct energy deposition ( DED ) process.</a> Opt Laser Technol. 86, 69-78 (2016).</li><li>Gharbi, M., Peyre, P., Gorny, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Influence+of+various+process+conditions+on+surface+finishes+induced+by+the+direct+metal+deposition+laser+technique+on+a+Ti-6Al-4V+alloy.">Influence of various process conditions on surface finishes induced by the direct metal deposition laser technique on a Ti-6Al-4V alloy.</a> J Mater Process Technol. 213 (5), 791-800 (2013).</li><li>Davim, J. P., Oliveira, C., Cardoso, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Predicting+the+geometric+form+of+clad+in+laser+cladding+by+powder+using+multiple+regression+analysis+(MRA).">Predicting the geometric form of clad in laser cladding by powder using multiple regression analysis (MRA).</a> Mater Des. 29 (2), 554-557 (2008).</li><li>Kobryn, P. A., Moore, E. H., Semiatin, S. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Effect+Of+Laser+Power+And+Traverse+Speed+On+Microstructure,+Porosity,+And+Build+Height+In+Laser-Deposited+Ti-6Al-4V.">The Effect Of Laser Power And Traverse Speed On Microstructure, Porosity, And Build Height In Laser-Deposited Ti-6Al-4V.</a> Scripta Materialia. 43, 299-305 (2000).</li><li>Bi, G., Gasser, A., Wissenbach, K., Drenker, A., Poprawe, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+the+process+control+for+the+direct+laser+metallic+powder+deposition.">Characterization of the process control for the direct laser metallic powder deposition.</a> Surf Coatings Technol. 201 (6), 2676-2683 (2006).</li><li>Choi, J., Chang, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characteristics+of+laser+aided+direct+metal/material+deposition+process+for+tool+steel.">Characteristics of laser aided direct metal/material deposition process for tool steel.</a> Int J Mach Tools Manuf. 45 (4-5), 597-607 (2005).</li><li>Ruan, J., Tang, L., Liou, F. W., Landers, R. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+Three-Dimensional+Layer+Metal+Deposition.">Direct Three-Dimensional Layer Metal Deposition.</a> J Manuf Sci Eng. 132 (6), 64502-64506 (2010).</li><li>Chen, X., Tao, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Maximum+thickness+of+the+laser+cladding.">Maximum thickness of the laser cladding.</a> Key Eng Mater. 46, 381-386 (1989).</li><li>Slotwinski, J. A., Garboczi, E. J., Stutzman, P. E., Ferraris, C. F., Watson, S. S., Peltz, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+Metal+Powders+Used+for+Additive+Manufacturing.">Characterization of Metal Powders Used for Additive Manufacturing.</a> J Res Natl Inst Stand Technol. 119, 460-493 (2014).</li><li>Manfredi, D., Calignano, F., Krishnan, M., Canali, R., Ambrosio, E. P., Atzeni, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=From+Powders+to+Dense+Metal+Parts:+Characterization+of+a+Commercial+AlSiMg+Alloy+Processed+through+Direct+Metal+Laser+Sintering.">From Powders to Dense Metal Parts: Characterization of a Commercial AlSiMg Alloy Processed through Direct Metal Laser Sintering.</a> Materials. 6 (3), 856-869 (2013).</li></ol>

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

In questo lavoro, il fuoco era l'impostazione di spessore affettare nel processo di DED di Ti-6Al-4V, secondo la geometria delle caratteristiche piscina si fondono. Per questo scopo, un protocollo in due fasi è stato definito e utilizzato. La prima parte del protocollo era un'ottimizzazione dei parametri di processo per la deposizione di singola scansione e, durante questa fase, sono stati raggiunti i parametri ottimali e le geometrie di piscina di fusione sono state misurate. Nella seconda parte del protocollo, è stata calcolata la densità specifica di energia degli esemplari presso i parametri ottimali. In questo passaggio, l'altezza della piscina della fusione era tracciata come una funzione di densità di energia e, in questa fase critica, lo spessore dello strato per la deposizione multistrata può essere realizzato.
In DED, poiché vari parametri di processo alterano lo spessore degli strati, la deposizione di strati con uno spessore costante non può comportare una precisa geometria del componente. Vuol dire che considerando uno strato fisso spessore per deposizione, indipendentemente dai parametri di processo, conduce a sotto - o sovra - deposition che si traduce in errore geometrico e, di conseguenza, un lungo processo produttivo. Lo scopo di questa ricerca era di esplorare il rapporto tra il procedimento di regolazione spessore taglio, l'altezza effettiva depositato e le condizioni di processo. Si è concluso che attraverso la combinazione della geometria dei parametri di piscina e processo di fusione, sarebbe possibile determinare lo spessore di strato ottimale associato ai parametri di processo specifico in un breve periodo di tempo rispetto alla metodi tradizionali.
La strategia per affettare utilizza le equazioni che ottenere l'altezza di monostrato relazionato con la densità specifica di energia. Il componente finale viene tagliato in base all'altezza del singolo strato per una condizione specifica che depositano. Al fine di verificare il metodo suggerito, alcuni blocchi sono state prodotte secondo l'approccio per affettare. I risultati di questa ricerca hanno dimostrato che utilizzando questo protocollo, è possibile determinare lo spessore di strato, che è uno dei principali parametri che dovrebbero essere considerati correttamente per costruire un componente con dimensioni precise. L'unica limitazione di questo protocollo che può essere considerato è la dipendenza dei risultati sul tipo di materiale, e così questo protocollo dovrebbe essere intrapresa per ogni tipo di materiale. Inoltre, per aumentare la precisione dell'impostazione di spessore di strato, la larghezza della piscina della fusione può anche essere considerata nel protocollo. Il passo più importante nel protocollo è la misura della geometria piscina si fondono così che qualsiasi errore, anche piccoli errori, in questo passaggio possono provocare un errore significativo nell'impostazione dello spessore di strato.

Ti-6Al-4V è il più comunemente usato industrie biomediche e lega di titanio in aerospaziale, aereo, automobilistico, a causa del suo alto rapporto resistenza-peso, eccellente tenacità, basso peso specifico, eccellente resistenza alla corrosione e calore trattabilità. Tuttavia, suoi ulteriori sviluppi in altre applicazioni sono difficili, grazie alla sua bassa conducibilità termica e le caratteristiche di elevata reattività, che provocare la sua scarsa lavorabilità. Inoltre, a causa del calore fenomeni di indurimento durante il taglio, trattamenti termici specifici devono essere intrapreso1,2,3,4.
Ciò nonostante, additivo (AM) tecnologie di produzione hanno mostrato grandi potenzialità per essere utilizzato come nuove tecniche di produzione che possono ridurre il consumo di energia e di prezzo e affrontare alcune delle sfide attuali nella fabbricazione della lega Ti-6Al-4V.
Tecniche di produzione additiva sono conosciuti come innovativo e possibile fabbricare una forma netta vicino componente in maniera strato dopo strato. Un approccio di produzione additiva strato dopo strato, che fette un modello di Computer Aided Design (CAD) in strati sottili e quindi crea il componente strato dopo strato, è fondamentale per tutti i metodi di AM. In generale, produzione additiva dei materiali metallici può essere diviso in quattro diversi processi: polvere letto, polvere feed (soffiata polvere), filo di alimentazione e altri percorsi3,5,6.
Diretto energia deposizione (DED) è una classe di produzione additiva ed è un processo di polvere soffiato che fabbrica tridimensionale (3D) vicino a parti solide di net-shape da un file CAD simile ad altri metodi di AM. In contrasto con altre tecniche, DED può essere utilizzato non solo come un metodo di fabbricazione, ma può essere impiegato anche come una tecnica di riparazione per le parti di alto valore. Nel processo di DED, materiale in polvere o filo metallico è alimentato da un gas di trasporto o motori in piscina della fusione, che viene generato dal laser del fascio su entrambi il substrato o precedentemente depositano strato. Il processo DED è un promettente processo di fabbricazione avanzata che è in grado di diminuire il rapporto di acquistare al volo ed è anche in grado di riparare parti di alto valore che in precedenza erano proibitivamente costosi da sostituire o irreparabile7.
Per ottenere la desiderata dimensioni geometriche e proprietà del materiale, è fondamentale per stabilire i parametri appropriati8. Parecchi studi sono stati intrapresi per chiarire la relazione tra i parametri di processo e le proprietà finali del campione depositato. Peyre et al. 9 costruito alcune pareti sottili con parametri di processo differenti e quindi li caratterizzati utilizzando profilometria 2D e 3D. Hanno mostrato che lo spessore di strato e volume della piscina si fondono sui parametri di rugosità notevolmente. Vim et al. 10 ha proposto un modello al fine di analizzare la relazione tra i parametri di processo e le caratteristiche geometriche di un strato di rivestimento singolo (altezza rivestito, rivestito di larghezza e profondità di penetrazione).
Ad oggi, diversi studi su DED di Ti leghe sono stati segnalati, più dei quali incentrato sull'influenza della combinazione di parametri sulle proprietà dell'enorme campioni11,12,,4. D'atteo et al. ha studiato l'effetto della scansione velocità e polvere portata sulle proprietà risultante della laser metallo depositata lega Ti-6Al-4V. Hanno trovato che aumentando la velocità di scansione e polvere portata la microstruttura è cambiato da Widmanstätten a una microstruttura martensitica, che si traduce in un incremento della rugosità superficiale e la microdurezza dei campioni depositati7. Tuttavia, meno attenzione è stata pagata a progettare l'impostazione dello spessore di strato. Choi et al. hanno studiato la correlazione tra i parametri di processo e spessore dello strato. Hanno trovato che le principali fonti di errore tra l'altezza attuale e l'altezza effettiva sono il flusso di massa di polvere tasso e strato spessore impostazione13. Loro studi non implementano correttamente l'impostazione dello spessore di strato perché essi coinvolti processi lunghi e imprecisi nell'impostazione dello spessore di strato. Ruan et al. hanno studiato l'effetto della velocità sull'altezza di strato depositato presso una potenza costante laser e polvere di tasso14di scansione laser. Essi hanno proposto alcuni modelli empirici per impostazione di spessore di strato che sono stati ottenuti in condizioni di elaborazione specifica, e quindi l'impostazione di spessore di strato può non essere preciso dovuti all'utilizzo di parametri di processo specifico15. A differenza di precedenti lavori, lo spessore di strato impostazione processo proposto in questo manoscritto è un metodo rapido che può essere eseguito senza sprecare tempo e materiali.
L'obiettivo principale di questo lavoro è quello di sviluppare un metodo rapido per la determinazione dello spessore di strato sulla base delle caratteristiche delle singole tracce della lega Ti-6Al-4V a parametri di processo ottimali DED. Da allora in poi, i parametri di processo ottimali sono impiegati per determinare uno spessore dello strato e fabbricare ad alta densità Ti-6Al-4V blocchi senza perdere tempo e materiali.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Ti-6Al-4V powder</td>
			<td>Xi&#8217;Tianrui new material</td>
			<td></td>
			<td>As starting material</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ISOMET precision cutter</td>
			<td>Bohler</td>
			<td></td>
			<td>To cut the samples</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polishing machine</td>
			<td>Presi</td>
			<td></td>
			<td>To polish the samples</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EpoFix resin</td>
			<td>Presi</td>
			<td></td>
			<td>To mount the samples</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Diamond paste</td>
			<td>Presi</td>
			<td></td>
			<td>For polishing</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Optical Microscope</td>
			<td>Leica</td>
			<td></td>
			<td>Microstructural observation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Field emission scanning electron microscope</td>
			<td>Merlin-Zeiss</td>
			<td></td>
			<td>Microstructural observation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stereo microscope</td>
			<td>Leica</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LEC1- CS444 ANALYSER</td>
			<td>IncoTest</td>
			<td></td>
			<td>Chemical analysis</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LEC3 - ELTRA OHN2000 ANALYSER</td>
			<td>IncoTest</td>
			<td></td>
			<td>Chemical analysis</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LEC2 - LECO TC436AR ANALYSER</td>
			<td>IncoTest</td>
			<td></td>
			<td>Chemical analysis</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ICP</td>
			<td>IncoTest</td>
			<td></td>
			<td>Chemical analysis</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>IRB 4600</td>
			<td>ABB</td>
			<td></td>
			<td>Antropomorphic robot</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>GTV PF</td>
			<td>GTV</td>
			<td></td>
			<td>Powder feeding system</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>YW 52</td>
			<td>Precitec</td>
			<td></td>
			<td>Laser head</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nozzles</td>
			<td>IRIS</td>
			<td></td>
			<td>Nozzle for feeding powders</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>YLS 3000</td>
			<td>IPG Photonics</td>
			<td></td>
			<td>Laser source</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

production of single tracks of ti-6al-4v by directed energy deposition to determine the layer thickness for multilayer deposition

Regia di deposizione di energia (DED), che è una tecnica di produzione additiva, comporta la creazione di un pool fuso con un fascio laser dove polvere metallica viene iniettata come particelle. In generale, questa tecnica è impiegata per fabbricare o riparare componenti diversi. In questa tecnica, le caratteristiche finali sono influenzate da molti fattori. Infatti, uno dei compiti principali nella costruzione di componenti di DED è l'ottimizzazione dei parametri di processo (ad esempio potenza laser, laser velocità, messa a fuoco, ecc.) che è effettuato solitamente attraverso un'estesa indagine sperimentale. Tuttavia, questo tipo di esperimento è estremamente lunghi e costosi. Così, al fine di accelerare il processo di ottimizzazione, un'indagine è stata condotta per sviluppare un metodo basato sulle caratterizzazioni di piscina si fondono. Infatti, in questi esperimenti, singole tracce di Ti-6Al-4V sono state depositate da un processo DED con molteplici combinazioni di potenza del laser e laser velocità. Morfologia e le dimensioni delle singole tracce sono stati analizzati e caratteristiche geometriche delle piscine di fusione sono state valutate dopo lucidatura e incisione le sezioni trasversali. Informazioni utili per quanto riguarda la selezione dei parametri di processo ottimale ottenibile esaminando le caratteristiche di fusione piscina. Questi esperimenti sono stati estesi per caratterizzare i blocchi più grandi con più livelli. Infatti, questo manoscritto descrive come sarebbe possibile determinare rapidamente lo spessore di strato per il deposito voluminoso ed evitare sopra o sotto-deposizione secondo la densità di energia calcolata dei parametri ottimali. Oltre alle sopra o sotto-deposizione, tempo e materiali di risparmio sono altri grandi vantaggi di questo approccio in cui la deposizione di componenti multistrati può essere avviata senza alcuna ottimizzazione parametro in termini di spessore dello strato.

Per gli studi sperimentali, irregolare Ti-6Al-4V polvere con una dimensione media di 50-150 µm e densità apparente di 1,85 g/cm3 è stata impiegata come materiale che depositano (Figura 1). L'analisi chimica della polvere ha confermato che il contenuto di ossigeno e azoto della polvere non cambia prima e dopo il processo di deposizione, mentre in entrambi i casi il contenuto di ossigeno era più alto rispetto al contenuto di ossigeno standard di Ti-6Al-4V polvere per produzione additiva (< 0,13%). Tuttavia, il contenuto di ossigeno e azoto dei componenti alla rinfusa aumentato dopo la deposizione.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56966/56966fig1.jpg"> Figura 1: a partire di Ti-6Al-4V polvere viene utilizzato come deposito materiale. Si tratta di una polvere irregolare con una dimensione media di 100-150 µm e densità apparente di 1,85 g/cm3.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td></td>
			<td>C</td>
			<td>S</td>
			<td>Al</td>
			<td>Fe</td>
			<td>H</td>
			<td>N</td>
			<td>O</td>
			<td>V</td>
			<td>Ti</td>
		</tr>
<tr>
<td>Neve fresca</td>
			<td>0,017</td>
			<td>< 0,001</td>
			<td>5,83</td>
			<td>0.08</td>
			<td>0,013</td>
			<td>0,022</td>
			<td>0.23</td>
			<td>3,89</td>
			<td>Bal.</td>
		</tr>
<tr>
<td>Usato in polvere</td>
			<td>0,016</td>
			<td>< 0,001</td>
			<td>5,86</td>
			<td>0.08</td>
			<td>0,012</td>
			<td>0,02</td>
			<td>0.22</td>
			<td>3,87</td>
			<td>Bal.</td>
		</tr>
<tr>
<td>Componente di massa</td>
			<td>0,021</td>
			<td>0,001</td>
			<td>5,78</td>
			<td>0.08</td>
			<td>0,012</td>
			<td>0,058</td>
			<td>0.28</td>
			<td>3.8</td>
			<td>Bal.</td>
		</tr>
<tr>
<td>Standard</td>
			<td>< 0,08</td>
			<td>--</td>
			<td>5.5-6.5</td>
			<td>< 0,25</td>
			<td>< 0,012</td>
			<td>< 0.05</td>
			<td>< 0.13</td>
			<td>3.5-4.5</td>
			<td>Bal.</td>
		</tr>
</tbody></table>Tabella 1: composizione chimica di Ti-6Al-4V polvere prima e dopo la deposizione (percentuale). Essa mostra che il contenuto di ossigeno e azoto della polvere non cambia prima e dopo il processo di deposizione, mentre in entrambi i casi il contenuto di ossigeno è superiore rispetto al contenuto di ossigeno standard di Ti-6Al-4V in polvere per la produzione additiva.
Figura 2 sono illustrate le singole tracce di Ti-6Al-4V lega dopo deposizione alle varie potenza laser e laser velocità di scansione. Come si può vedere la potenza del laser e riducendo la velocità di scansione laser, la dimensione delle singole tracce è aumentato.
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56966/56966fig2.jpg"> Figura 2: singole tracce della lega Ti-6Al-4V dopo deposizione. Queste singole tracce sono state depositate al potere differente del laser e la velocità di scansione laser e analizzate dall'alto. Aumentando la potenza del laser e diminuendo il laser velocità, loro dimensioni aumentati di scansione.
La figura 3 Mostra la sezione trasversale di singole tracce dopo la deposizione, e aumentando la potenza del laser, l'altezza delle singole tracce è aumentato considerevolmente. Inoltre, diminuendo la velocità di scansione laser con una potenza laser costante, l'altezza della deposizione aumentato mentre, a laser a bassa potenza e velocità di scansione laser molto alto, l'altezza della deposizione era trascurabile. Nonostante l'altezza della piscina della fusione, la formazione di porosità all'interno della piscina di fusione, in particolare vicino all'interfaccia di zona zona piscina/fusione di fusione, era un altro fenomeno che è stato rivelato dopo la deposizione.
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56966/56966fig3.jpg"> Figura 3: sezione trasversale di singole tracce dopo la deposizione. Aumentando la potenza del laser e diminuendo la velocità di scansione laser, ha fatto diminuire l'altezza della piscina si fondono. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56966/56966fig3large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
Il rapporto tra l'altezza singola traccia e il parametro di processo diverso è illustrato nella Figura 4. L'altezza di singoli brani a velocità di scansione laser diversi aumentata aumentando la potenza del laser, che suggerisce che la potenza del laser fino a un certo punto ha un effetto positivo sull'altezza di deposizione (Figura 4a). Tuttavia, dopo quel punto critico, la potenza del laser colpisce negativamente la crescita di deposizione a causa della consegna di troppa energia in piscina si fondono. Inoltre, è stato trovato che come il laser aumentata la velocità di scansione, l'assorbimento di energia nel pool di fusione è stato ridotto e indirettamente è stato diminuito il tasso di consegna di polvere, e di conseguenza l'altezza depositato diminuito notevolmente (Figura 4b).
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56966/56966fig4.jpg"> Figura 4: effetto dei parametri di processo diverse sulla dimensione singola traccia. È chiaro che come la velocità di scansione laser aumentata (b), l'assorbimento di energia nel pool di fusione è ridotto e la polvere consegna tasso (a) è ridotto indirettamente e, di conseguenza, l'altezza depositato diminuito notevolmente. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56966/56966fig4large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
Questi risultati dimostrano chiaramente l'influenza dei parametri di processo differenti sulla geometria delle tracce depositate. Nonostante fornendo informazioni preziose nel processo, la valutazione dell'altezza depositato è ancora difficile, a causa della varietà di parametri che sono stati coinvolti. Così, alcune iniziative sono state intraprese per sviluppare una nuova strategia per valutare l'effetto della combinazione di parametri di processo sulla geometria della pista depositato.
Come è stato dimostrato, l'altezza di strato depositato aumenta aumentando la potenza del laser, e si è capito che questo non era l'unico parametro che interessa l'altezza della piscina fusione. Infatti, nel periodo di tempo necessario per sciogliere un determinato volume di substrato e depositare un livello appropriato di materiale fuso, una certa quantità di energia e polvere dovrebbe essere fornita al substrato. Questa energia non è solo determinata dalla potenza del laser e la velocità di scansione laser, ma anche la dimensione dello spot laser dovrebbe essere considerata. Per questo scopo, la densità di energia specifica per unità formato di punto (E) e polvere feed densità (F) è calcolata per valutare l'effetto della combinazione di questi parametri.
E, che è la densità di energia specifica, Mostra l'energia che viene consegnato in piscina si fondono con il laser e in linea di principio è responsabile per la fusione del substrato e la polvere. Questa densità di energia è espressa come8
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/56966/56966eq2.jpg">(1)
Dove E è la densità di energia specifica dimensioni spot dell'unità, P è la potenza del laser (W), v è la velocità di scansione laser (mm/s), e D è la dimensione dello spot laser (mm). Per ottenere un livello di deposizione appropriato per ogni materiale metallico, c'è un certo livello di energia di sotto di cui non possono essere raggiunto legami di fusione, e di là che la diluizione diventa troppo grande. Un altro fattore che mostra l'effetto della combinazione di parametri è la densità di polvere (F), che può essere calcolato come segue8
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/56966/56966eq3.jpg">(2)
Qui, F è la polvere di densità di alimentazione, e G è la polvere di tasso (g/s).
La figura 5 Mostra la variazione di altezza strato depositato in funzione della densità di energia specifica. Come si può vedere, l'altezza delle singole tracce aumentata aumentando la densità specifica di energia, che può essere collegata con l'ingresso di calore superiore a maggiore densità di energia di laser. La correlazione empirica tra la densità di energia e l'altezza di deposizione sono come segue:
h = 14.99 E – 17,85 (3)
Da questa equazione, l'altezza della traccia depositato può essere stimato attraverso il calcolo della densità specifica di energia e questa equazione. D'altra parte, la variazione di altezza depositato in funzione della densità di polvere, che è illustrata nella Figura 6, ha mostrato che aumentando la densità di polvere, aumentata l'altezza della traccia depositato, e la relazione empirica tra questi possa essere espresso come segue:
h = 38477 F – 157.06 (4)
Questa equazione mostra che l'altezza della traccia depositato può essere calcolato calcolando la densità di polvere e questa equazione. EQ. 3 e 4 EQ. dimostrano che utilizzando la combinazione dei parametri di processo e calcolo della densità specifica di energia e densità di polvere, è possibile fare previsioni l'altezza depositato e di conseguenza trovare il dominio migliore per ottenere la migliore qualità di deposizione.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56966/56966fig5.jpg"> Figura 5: singola traccia altezza (h) contro la densità specifica di energia (E). L'altezza delle singole tracce aumentata aumentando la densità specifica di energia, che può essere collegata con l'apporto di calore superiore a maggiore densità di energia di laser. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56966/56966fig5large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56966/56966fig6.jpg"> Figura 6: singola traccia altezza (h) come una funzione di polvere feed densità (F). Aumentando la densità di alimentazione di polvere, è aumentata l'altezza della traccia depositato. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56966/56966fig6large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
Nella deposizione di energia diretta dei materiali metallici, h (altezza strato o ΔZ) è un fattore molto importante che incide sulla qualità del componente dopo la deposizione. La deposizione di energia convenzionale diretta di componenti metallici, l'altezza dello strato di deposizione è considerato una costante e, a parte la geometria del componente e il suo materiale, i parametri di processo tale potenza del laser e la velocità di scansione laser sono stati ottimizzato per fabbricare il componente finale. Infatti, affettare gli strati di spessore costante non è solitamente conforme ai parametri di processo. Di conseguenza, questo spessore può essere modificato manualmente o empiricamente, che sacrifica la qualità del componente e il tasso di fabbricazione. In generale, in strato convenzionale affettare, sopra o sotto deposition può essere ottenuto a causa le approssimazioni nella considerazione dello spessore di strato, che ha bisogno di ulteriori correzioni come successiva deposizione o lavorazione gli strati supplementari (Figura 7a ). Così, in questo lavoro, sforzo è impegnato a sviluppare una nuova strategia per determinare lo spessore di strato, secondo le condizioni di processo che vengono utilizzate nella produzione di componenti.
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56966/56966fig7.jpg"> Figura 7: affettare. (a) strategia d'affettatura convenzionale, (b) nuovo affettare strategia secondo i parametri di processo ottimale; in convenzionale strato affettare, sopra o sotto deposition può essere ottenuto a causa le approssimazioni nella considerazione dello spessore di strato, che ha bisogno di ulteriori correzioni, ad esempio successiva deposizione o gli strati supplementari di lavorazione. In questo approccio, lo spessore dello strato per la fabbricazione del componente è determinata secondo un altezza di monostrato relazionato con la densità specifica di energia dei due parametri combinati. E è la densità di energia specifica dimensioni spot dell'unità, F è la polvere di densità di alimentazione, tdep è lo spessore del singolo strato estrato di t è lo spessore della fetta.
Infatti, in questo approccio, lo spessore dello strato per la fabbricazione del componente è determinata secondo un altezza di monostrato relazionato con la densità specifica di energia dei due parametri combinati. Per questo metodo di prova e verificare la correlazione tra la qualità del componente e spessore diversi, alcune semplici cubi sono stati costruiti in varie ΔZ e poi loro sezioni trasversali sono stati valutati.
Figura 8a -b Visualizza le sezioni rappresentative dei multistrato-blocchi, che sono state prodotte secondo il metodo convenzionale. Come si può vedere nella tabella 2, secondo la strategia per affettare che considera 0,325 mm come lo spessore dello strato, l'altezza desiderata del blocco mostrato in Figura 8a dovrebbe essere circa 5,2 mm. Nel metodo convenzionale, tuttavia, è stato raggiunto l'altezza finale del 10,11 mm (eccessiva deposizione), che è una conseguenza di considerare un alto ΔZ (0,6 mm) durante il processo. Questo processo di deposizione eccessiva ha provocato la mancanza di fusione tra i livelli e un alto livello di porosità all'interno del campione. D'altra parte, figura 8b illustra che considerando un basso ΔZ, non può essere raggiunto l'altezza desiderata, e ciò si traduce in un processo di deposizione lunga e microstruttura indesiderabile. Queste discrepanze implicano che nel metodo convenzionale, affettare gli strati in uno spessore fisso non è solitamente conforme ai parametri di processo, e quindi non può essere raggiunto lo spessore desiderato. Una sezione trasversale del blocco, che è stato prodotto secondo la strategia per affettare, è illustrata nella Figura 9. Come può essere visto attraverso considerando un adeguato ΔZ, potrebbe essere possibile ottenere eccellente stabilità dimensionale. Tuttavia, la precisione dimensionale può essere ridotta a un livello elevato di potere del laser in conseguenza ad alta energia in ingresso, che provoca la fusione del livello sottostante. La tabella 2 Mostra che utilizzando il metodo d'affettatura, una più stabile posizione piscina di fusione può essere raggiunto, e di conseguenza aumenta la precisione dimensionale. La figura 9 Mostra un blocco che è prodotta secondo l'approccio per affettare, e come si può vedere utilizzando un appropriato ΔZ (~ 0.5 mm) è stata ottenuta l'altezza desiderata della deposizione.
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56966/56966fig8.jpg"> Figura 8: esempi di campioni di prodotto secondo il metodo convenzionale. Secondo la strategia per affettare che considera 0,325 mm come lo spessore dello strato, l'altezza desiderata del blocco che viene mostrato nel pannello un dovrebbe essere circa 5,2 mm. Nel metodo convenzionale, tuttavia, è stato raggiunto l'altezza finale del 10,11 mm (eccessiva deposizione), che è una conseguenza di considerare un alto ΔZ (0,6 mm) durante il processo. D'altra parte, pannello b illustra che considerando un basso ΔZ, altezza desiderata non può essere raggiunto e si traduce in un processo di deposizione lunga e microstruttura indesiderabile. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56966/56966fig8large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56966/56966fig9.jpg"> Figura 9: esempio di un campione fabbricato dall'approccio affettare. Conferma che una considerazione adeguata ΔZ si traduce in un'eccellente stabilità dimensionale.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td></td>
			<td>Laser di potenza (W)</td>
			<td>Spessore dello strato (mm)</td>
			<td>Numero di strati</td>
			<td>Altezza desiderata (mm)</td>
			<td>Depositato altezza (mm)</td>
		</tr>
<tr>
<td rowspan="2">Metodo convenzionale</td>
			<td>350</td>
			<td>0.325</td>
			<td>16</td>
			<td>5,206</td>
			<td>10,114</td>
		</tr>
<tr>
<td>1500</td>
			<td>0.758</td>
			<td>8</td>
			<td>6,07</td>
			<td>3.425</td>
		</tr>
<tr>
<td>Metodo per affettare</td>
			<td>325</td>
			<td>0,485</td>
			<td>5</td>
			<td>7.436</td>
			<td>7.245</td>
		</tr>
</tbody></table>Tabella 2: confronto tra l'altezza depositato e l'altezza desiderata nei metodi convenzionali e affettare. Dimostra che utilizzando il metodo d'affettatura, una più stabile posizione piscina di fusione può essere raggiunto e, di conseguenza, aumenta la precisione dimensionale.

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Production of Single Tracks of Ti-6Al-4V by Directed Energy Deposition to Determine the Layer Thickness for Multilayer Deposition

In questa ricerca, un metodo rapido basato sulla caratterizzazione di fusione piscina è sviluppato per stimare lo spessore dello strato di Ti-6Al-4V componenti prodotti da deposizione di energia diretta.

Produzione di singole tracce di Ti-6Al-4V per deposizione di energia diretta per determinare lo spessore di strato per deposizione multistrato

Directed Energy Deposition (DED), which is an additive manufacturing technique, involves the creation of a molten pool with a laser beam where metal ...

production-single-tracks-ti-6al-4v-directed-energy-deposition-to

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Engineering

9.1K Views.  Politecnico di Torino. In questa ricerca, un metodo rapido basato sulla caratterizzazione di fusione piscina è sviluppato per stimare lo spessore dello strato di Ti-6Al-4V componenti prodotti da deposizione di energia diretta.

Video: Production of Single Tracks of Ti-6Al-4V by Directed Energy Deposition to Determine the Layer Thickness for Multilayer Deposition

Harvesting Solar Energy by Means of Charge-Separating Nanocrystals and Their Solids

Conjoining different semiconductor materials in a single nano-composite provides synthetic means for the development of novel optoelectronic materials offering a superior control over the spatial distribution of charge carriers across material interfaces. As this study demonstrates, a combination of donor-acceptor nanocrystal (NC) domains in a single nanoparticle can lead to the realization of efficient photocatalytic1-5 materials, while a layered assembly of donor- and acceptor-like nanocrystals films gives rise to photovoltaic materials.
Initially the paper focuses on the synthesis of composite inorganic nanocrystals, comprising linearly stacked ZnSe, CdS, and Pt domains, which jointly promote photoinduced charge separation. These structures are used in aqueous solutions for the photocatalysis of water under solar radiation, resulting in the production of H2 gas. To enhance the photoinduced separation of charges, a nanorod morphology with a linear gradient originating from an intrinsic electric field is used5. The inter-domain energetics are then optimized to drive photogenerated electrons toward the Pt catalytic site while expelling the holes to the surface of ZnSe domains for sacrificial regeneration (via methanol). Here we show that the only efficient way to produce hydrogen is to use electron-donating ligands to passivate the surface states by tuning the energy level alignment at the semiconductor-ligand interface. Stable and efficient reduction of water is allowed by these ligands due to the fact that they fill vacancies in the valence band of the semiconductor domain, preventing energetic holes from degrading it. Specifically, we show that the energy of the hole is transferred to the ligand moiety, leaving the semiconductor domain functional. This enables us to return the entire nanocrystal-ligand system to a functional state, when the ligands are degraded, by simply adding fresh ligands to the system4.
To promote a photovoltaic charge separation, we use a composite two-layer solid of PbS and TiO2 films. In this configuration, photoinduced electrons are injected into TiO2 and are subsequently picked up by an FTO electrode, while holes are channeled to a Au electrode via PbS layer6. To develop the latter we introduce a Semiconductor Matrix Encapsulated Nanocrystal Arrays (SMENA) strategy, which allows bonding PbS NCs into the surrounding matrix of CdS semiconductor. As a result, fabricated solids exhibit excellent thermal stability, attributed to the heteroepitaxial structure of nanocrystal-matrix interfaces, and show compelling light-harvesting performance in prototype solar cells7.

A general strategy for the development of charge-separating semiconductor nanocrystal composites deployable for solar energy production is presented. We show that assembly of donor-acceptor nanocrystal domains in a single nanoparticle geometry gives rise to a photocatalytic function, while bulk-heterojunctions of donor-acceptor nanocrystal films can be used for photovoltaic energy conversion.

Raccolta di energia solare per mezzo di separatori di carica-nanocristalli e loro Solidi

Conjoining different semiconductor materials in a single nano-composite provides synthetic means for the development of novel optoelectronic materials ...

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Fabrication of Nano-engineered Transparent Conducting Oxides by Pulsed Laser Deposition

Nanosecond Pulsed Laser Deposition (PLD) in the presence of a background gas allows the deposition of metal oxides with tunable morphology, structure, density and stoichiometry by a proper control of the plasma plume expansion dynamics. Such versatility can be exploited to produce nanostructured films from compact and dense to nanoporous characterized by a hierarchical assembly of nano-sized clusters. In particular we describe the detailed methodology to fabricate two types of Al-doped ZnO (AZO) films as transparent electrodes in photovoltaic devices: 1) at low O2 pressure, compact films with electrical conductivity and optical transparency close to the state of the art transparent conducting oxides (TCO) can be deposited at room temperature, to be compatible with thermally sensitive materials such as polymers used in organic photovoltaics (OPVs); 2) highly light scattering hierarchical structures resembling a forest of nano-trees are produced at higher pressures. Such structures show high Haze factor (&gt;80%) and may be exploited to enhance the light trapping capability. The method here described for AZO films can be applied to other metal oxides relevant for technological applications such as TiO2, Al2O3, WO3 and Ag4O4.

We describe the experimental method to deposit nanostructured oxide thin films by nanosecond Pulsed Laser Deposition (PLD) in the presence of a background gas. By using this method Al-doped ZnO (AZO) films, from compact to hierarchically structured as nano-tree forests, can be deposited.

Fabbricazione di nano-ingegneria trasparenti Ossidi Conducting da Pulsed Laser Deposition

Nanosecond Pulsed  Laser Deposition (PLD) in the presence of a background gas allows the deposition  of metal oxides with tunable morphology, structure, ...

Casting Protocols for the Production of Open Cell Aluminum Foams by the Replication Technique and the Effect on Porosity

Metal foams are interesting materials from both a fundamental understanding and practical applications point of view. Uses have been proposed, and in many cases validated experimentally, for light weight or impact energy absorbing structures, as high surface area heat exchangers or electrodes, as implants to the body, and many more. Although great progress has been made in understanding their structure-properties relationships, the large number of different processing techniques, each producing material with different characteristics and structure, means that understanding of the individual effects of all aspects of structure is not complete. The replication process, where molten metal is infiltrated between grains of a removable preform material, allows a markedly high degree of control and has been used to good effect to elucidate some of these relationships. Nevertheless, the process has many steps that are dependent on individual &#8220;know-how&#8221;, and this paper aims to provide a detailed description of all stages of one embodiment of this processing method, using materials and equipment that would be relatively easy to set up in a research environment. The goal of this protocol and its variants is to produce metal foams in an effective and simple way, giving the possibility to tailor the outcome of the samples by modifying certain steps within the process. By following this, open cell aluminum foams with pore sizes of 1&#8211;2.36 mm diameter and 61% to 77% porosity can be obtained.

Replication is one of the processing techniques used for the production of porous metal sponges. In this paper one implementation of the method for the production of open celled porous aluminum is shown in detail.

Casting protocolli per la produzione di cellule aperte alluminio Schiume dalla tecnica di replica e l&#39;effetto sulla porosità

Metal foams are interesting materials from both a fundamental understanding and practical applications point of view. Uses have been proposed, and in many ...

Making Record-efficiency SnS Solar Cells by Thermal Evaporation and Atomic Layer Deposition

Tin sulfide (SnS) is a candidate absorber material for Earth-abundant, non-toxic solar cells. SnS offers easy phase control and rapid growth by congruent thermal evaporation, and it absorbs visible light strongly. However, for a long time the record power conversion efficiency of SnS solar cells remained below 2%. Recently we demonstrated new certified record efficiencies of 4.36% using SnS deposited by atomic layer deposition, and 3.88% using thermal evaporation. Here the fabrication procedure for these record solar cells is described, and the statistical distribution of the fabrication process is reported. The standard deviation of efficiency measured on a single substrate is typically over 0.5%. All steps including substrate selection and cleaning, Mo sputtering for the rear contact (cathode), SnS deposition, annealing, surface passivation, Zn(O,S) buffer layer selection and deposition, transparent conductor (anode) deposition, and metallization are described. On each substrate we fabricate 11 individual devices, each with active area 0.25 cm2. Further, a system for high throughput measurements of current-voltage curves under simulated solar light, and external quantum efficiency measurement with variable light bias is described. With this system we are able to measure full data sets on all 11 devices in an automated manner and in minimal time. These results illustrate the value of studying large sample sets, rather than focusing narrowly on the highest performing devices. Large data sets help us to distinguish and remedy individual loss mechanisms affecting our devices.

Tin sulfide (SnS) is a candidate material for Earth-abundant, non-toxic solar cells. Here, we demonstrate the fabrication procedure of the SnS solar cells employing atomic layer deposition, which yields 4.36% certified power conversion efficiency, and thermal evaporation which yields 3.88%.

Rendere record efficienza SnS celle solari per evaporazione termica e Atomic Layer Deposition

Tin sulfide (SnS) is a candidate absorber material for Earth-abundant, non-toxic solar cells. SnS offers easy phase control and rapid growth by congruent ...

Formation of Thick Dense Yttrium Iron Garnet Films Using Aerosol Deposition

Aerosol deposition (AD) is a thick-film deposition process that can produce layers up to several hundred micrometers thick with densities greater than 95% of the bulk. The primary advantage of AD is that the deposition takes place entirely at ambient temperature; thereby enabling film growth in material systems with disparate melting temperatures. This report describes in detail the processing steps for preparing the powder and for performing AD using the custom-built system. Representative characterization results are presented from scanning electron microscopy, profilometry, and ferromagnetic resonance for films grown in this system. As a representative overview of the capabilities of the system, focus is given to a sample produced following the described protocol and system setup. Results indicate that this system can successfully deposit 11 &#181;m thick yttrium iron garnet films that are &#160;&#62; 90% of the bulk density during a single 5 min deposition run. A discussion of methods to afford better control of the aerosol and particle selection for improved thickness and roughness variations in the film is provided.

This report describes the use of a custom-built system to perform aerosol deposition of thick films of yttrium iron garnet onto sapphire substrates at RT. The deposited films are characterized using scanning electron microscopy, profilometry, and ferromagnetic resonance to give a representative overview of the capabilities of the technique.

La formazione di spesse Dense ittrio ferro Garnet Films Utilizzando Aerosol Deposizione

Aerosol deposition (AD) is a thick-film deposition process that can produce layers up to several hundred micrometers thick with densities greater than 95% ...

Synthesis and Characterization of High c-axis ZnO Thin Film by Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition System and its UV Photodetector Application

In this study, zinc oxide (ZnO) thin films with high c-axis (0002) preferential orientation have been successfully and effectively synthesized onto silicon (Si) substrates via different synthesized temperatures by using plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) system. The effects of different synthesized temperatures on the crystal structure, surface morphologies and optical properties have been investigated. The X-ray diffraction (XRD) patterns indicated that the intensity of (0002) diffraction peak became stronger with increasing synthesized temperature until 400 oC. The diffraction intensity of (0002) peak gradually became weaker accompanying with appearance of (10-10) diffraction peak as the synthesized temperature up to excess of 400 oC. The RT photoluminescence (PL) spectra exhibited a strong near-band-edge (NBE) emission observed at around 375 nm and a negligible deep-level (DL) emission located at around 575 nm under high c-axis ZnO thin films. Field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) images revealed the homogeneous surface and with small grain size distribution. The ZnO thin films have also been synthesized onto glass substrates under the same parameters for measuring the transmittance.
For the purpose of ultraviolet (UV) photodetector application, the interdigitated platinum (Pt) thin film (thickness ~100 nm) fabricated via conventional optical lithography process and radio frequency (RF) magnetron sputtering. In order to reach Ohmic contact, the device was annealed in argon circumstances at 450 oC by rapid thermal annealing (RTA) system for 10 min. After the systematic measurements, the current-voltage (I-V) curve of photo and dark current and time-dependent photocurrent response results exhibited a good responsivity and reliability, indicating that the high c-axis ZnO thin film is a suitable sensing layer for UV photodetector application.

We offered a method to directly synthesize high c-axis (0002) ZnO thin film by plasma enhanced chemical vapor deposition. The as-synthesized ZnO thin film combined with Pt interdigitated electrode was used as sensing layer for ultraviolet photodetector, showing a high performance through a combination of its good responsivity and reliability.

Sintesi e caratterizzazione di alta c-asse ZnO film sottile da potenziato a plasma Chemical Vapor Deposition del sistema e la sua applicazione Rilevatori UV

In this study, zinc oxide (ZnO) thin films with high c-axis (0002) preferential orientation have been successfully and effectively synthesized onto ...

Integration of Light Trapping Silver Nanostructures in Hydrogenated Microcrystalline Silicon Solar Cells by Transfer Printing

One of the potential applications of metal nanostructures is light trapping in solar cells, where unique optical properties of nanosized metals, commonly known as plasmonic effects, play an important role. Research in this field has, however, been impeded owing to the difficulty of fabricating devices containing the desired functional metal nanostructures. In order to provide a viable strategy to this issue, we herein show a transfer printing-based approach that allows the quick and low-cost integration of designed metal nanostructures with a variety of device architectures, including solar cells. Nanopillar poly(dimethylsiloxane) (PDMS) stamps were fabricated from a commercially available nanohole plastic film as a master mold. On this nanopatterned PDMS stamps, Ag films were deposited, which were then transfer-printed onto block copolymer (binding layer)-coated hydrogenated microcrystalline Si (&#181;c-Si:H) surface to afford ordered Ag nanodisk structures. It was confirmed that the resulting Ag nanodisk-incorporated &#181;c-Si:H solar cells show higher performances compared to a cell without the transfer-printed Ag nanodisks, thanks to plasmonic light trapping effect derived from the Ag nanodisks. Because of the simplicity and versatility, further device application would also be feasible thorough this approach.

A viable transfer printing-based methodology to introduce plasmonic metal nanostructures in solar cells is described. Using nanopillar poly(dimethylsiloxane) stamps, an Ag-based ordered nanodisk array was integrated with standard hydrogenated microcrystalline Si solar cells, which led to improved device performances due to plasmonic light trapping.

Integrazione di luce Trapping Argento Nanostrutture in silicio microcristallino idrogenato celle solari tramite bonifico stampa

One of the potential applications of metal nanostructures is light trapping in solar cells, where unique optical properties of nanosized metals, commonly ...

Electrospray Deposition of Uniform Thickness Ge23Sb7S70 and As40S60 Chalcogenide Glass Films

Solution-based electrospray film deposition, which is compatible with continuous, roll-to-roll processing, is applied to chalcogenide glasses. Two chalcogenide compositions are demonstrated: Ge23Sb7S70 and As40S60, which have both been studied extensively for planar mid-infrared (mid-IR) microphotonic devices. In this approach, uniform thickness films are fabricated through the use of computer numerical controlled (CNC) motion. Chalcogenide glass (ChG) is written over the substrate by a single nozzle along a serpentine path. Films were subjected to a series of heat treatments between 100 &#176;C and 200 &#176;C under vacuum to drive off residual solvent and densify the films. Based on transmission Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy and surface roughness measurements, both compositions were found to be suitable for the fabrication of planar devices operating in the mid-IR region. Residual solvent removal was found to be much quicker for the As40S60 film as compared to Ge23Sb7S70. Based on the advantages of electrospray, direct printing of a gradient refractive index (GRIN) mid-IR transparent coating is envisioned, given the difference in refractive index of the two compositions in this study.

Electrospray Deposition of Uniform Thickness Ge23Sb7S70 and As40S60 Chalcogenide Glass Films

A method of uniform thickness solution-derived chalcogenide glass film deposition is demonstrated using computer numerical controlled motion of a single-nozzle electrospray.

Electrospray Deposizione di uniformità di spessore Ge<sub&gt; 23</sub&gt; Sb<sub&gt; 7</sub&gt; S<sub&gt; 70</sub&gt; E As<sub&gt; 40</sub&gt; S<sub&gt; 60</sub&gt; calcogenuri vetro Cinema

Solution-based electrospray film deposition, which is compatible with continuous, roll-to-roll processing, is applied to chalcogenide glasses. Two ...

High Temperature Fabrication of Nanostructured Yttria-Stabilized-Zirconia (YSZ) Scaffolds by In Situ Carbon Templating Xerogels

We demonstrate a method for the high temperature fabrication of porous, nanostructured yttria-stabilized-zirconia (YSZ, 8 mol% yttria - 92 mol% zirconia) scaffolds with tunable specific surface areas up to 80 m2&#183;g-1. An aqueous solution of a zirconium salt, yttrium salt, and glucose is mixed with propylene oxide (PO) to form a gel. The gel is dried under ambient conditions to form a xerogel. The xerogel is pressed into pellets and then sintered in an argon atmosphere. During sintering, a YSZ ceramic phase forms and the organic components decompose, leaving behind amorphous carbon. The carbon formed in situ serves as a hard template, preserving a high surface area YSZ nanomorphology at sintering temperature. The carbon is subsequently removed by oxidation in air at low temperature, resulting in a porous, nanostructured YSZ scaffold. The concentration of the carbon template and the final scaffold surface area can be systematically tuned by varying the glucose concentration in the gel synthesis. The carbon template concentration was quantified using thermogravimetric analysis (TGA), the surface area and pore size distribution was determined by physical adsorption measurements, and the morphology was characterized using scanning electron microscopy (SEM). Phase purity and crystallite size was determined using X-ray diffraction (XRD). This fabrication approach provides a novel, flexible platform for realizing unprecedented scaffold surface areas and nanomorphologies for ceramic-based electrochemical energy conversion applications, e.g. solid oxide fuel cell (SOFC) electrodes.

High Temperature Fabrication of Nanostructured Yttria-Stabilized-Zirconia YSZ Scaffolds by In Situ Carbon Templating Xerogels

A protocol for fabricating porous, nanostructured yttria-stabilized-zirconia (YSZ) scaffolds at temperatures between 1,000 &#176;C and 1,400 &#176;C is presented.

Fabbricazione ad alta temperatura di Nanostrutturati di ossido di ittrio stabilizzato-Zirconia (YSZ) Ponteggi da<em&gt; In Situ</em&gt; Carbon Templating xerogel

We demonstrate a method for the high temperature fabrication of porous, nanostructured yttria-stabilized-zirconia (YSZ, 8 mol% yttria - 92 mol% zirconia) ...

Fabrication of Ultra-thin Color Films with Highly Absorbing Media Using Oblique Angle Deposition

Ultra-thin film structures have been studied extensively for use as optical coatings, but performance and fabrication challenges remain.&#160; We present an advanced method for fabricating ultra-thin color films with improved characteristics. The proposed process addresses several fabrication issues, including large area processing. Specifically, the protocol describes a process for fabricating ultra-thin color films using an electron beam evaporator for oblique angle deposition of germanium (Ge) and gold (Au) on silicon (Si) substrates.&#160; Film porosity produced by the oblique angle deposition induces color changes in the ultra-thin film. The degree of color change depends on factors such as deposition angle and film thickness. Fabricated samples of the ultra-thin color films showed improved color tunability and color purity. In addition, the measured reflectance of the fabricated samples was converted into chromatic values and analyzed in terms of color. Our ultra-thin film fabricating method is expected to be used for various ultra-thin film applications such as flexible color electrodes, thin film solar cells, and optical filters. Also, the process developed here for analyzing the color of the fabricated samples is broadly useful for studying various color structures.

We present a detailed method for fabricating ultra-thin color films with improved characteristics for optical coatings. The oblique angle deposition technique using an electron beam evaporator allows improved color tunability and purity. Fabricated films of Ge and Au on Si substrates were analyzed by reflectance measurements and color information conversion.

Fabbricazione di film ultra-sottile di colore con altamente assorbente Media mediante deposizione di angolo obliquo

Ultra-thin film structures have been studied extensively for use as optical coatings, but performance and fabrication challenges remain.&#160; We present ...