Name: production of single tracks of ti-6al-4v by directed energy deposition to determine the layer thickness for multilayer deposition
Uploaded: 2018-03-13T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 12 s
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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 stat...

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&amp;rsquo;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 ...

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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

Research

JoVE Journal

Engineering

9.2K 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.

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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, ...

Ricerca

Ingegneria

Nanofabrication of Gate-defined GaAs/AlGaAs Lateral Quantum Dots

A quantum computer is a computer composed of quantum bits (qubits) that takes advantage of quantum effects, such as superposition of states and entanglement, to solve certain problems exponentially faster than with the best known algorithms on a classical computer. Gate-defined lateral quantum dots on GaAs/AlGaAs are one of many avenues explored for the implementation of a qubit. When properly fabricated, such a device is able to trap a small number of electrons in a certain region of space. The spin states of these electrons can then be used to implement the logical 0 and 1 of the quantum bit. Given the nanometer scale of these quantum dots, cleanroom facilities offering specialized equipment- such as scanning electron microscopes and e-beam evaporators- are required for their fabrication. Great care must be taken throughout the fabrication process to maintain cleanliness of the sample surface and to avoid damaging the fragile gates of the structure. This paper presents the detailed fabrication protocol of gate-defined lateral quantum dots from the wafer to a working device. Characterization methods and representative results are also briefly discussed. Although this paper concentrates on double quantum dots, the fabrication process remains the same for single or triple dots or even arrays of quantum dots. Moreover, the protocol can be adapted to fabricate lateral quantum dots on other substrates, such as Si/SiGe.

This paper presents a detailed fabrication protocol for gate-defined semiconductor lateral quantum dots on gallium arsenide heterostructures. These nanoscale devices are used to trap few electrons for use as quantum bits in quantum information processing or for other mesoscopic experiments such as coherent conductance measurements.

Nanofabbricazione di Porta definiti-GaAs / AlGaAs laterali Quantum Dots

A quantum computer is a computer composed of quantum bits (qubits) that takes advantage of quantum effects, such as superposition of states and ...

Atomically Defined Templates for Epitaxial Growth of Complex Oxide Thin Films

Atomically defined substrate surfaces are prerequisite for the epitaxial growth of complex oxide thin films. In this protocol, two approaches to obtain such surfaces are described. The first approach is the preparation of single terminated perovskite SrTiO3 (001) and DyScO3 (110) substrates. Wet etching was used to selectively remove one of the two possible surface terminations, while an annealing step was used to increase the smoothness of the surface. The resulting single terminated surfaces allow for the heteroepitaxial growth of perovskite oxide thin films with high crystalline quality and well-defined interfaces between substrate and film. In the second approach, seed layers for epitaxial film growth on arbitrary substrates were created by Langmuir-Blodgett (LB) deposition of nanosheets. As model system Ca2Nb3O10- nanosheets were used, prepared by delamination of their layered parent compound HCa2Nb3O10. A key advantage of creating seed layers with nanosheets is that relatively expensive and size-limited single crystalline substrates can be replaced by virtually any substrate material.

Various procedures are outlined to prepare atomically defined templates for epitaxial growth of complex oxide thin films. Chemical treatments of single crystalline SrTiO3 (001) and DyScO3 (110) substrates were performed to obtain atomically smooth, single terminated surfaces. Ca2 Nb3 O10- nanosheets were used to create atomically defined templates on arbitrary substrates.

Modelli atomicamente definiti per epitassiale crescita di ossido Complex Thin Films

Atomically defined substrate surfaces are prerequisite for the epitaxial growth of complex oxide thin films. In this protocol, two approaches to obtain ...

Chimica

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% ...

Atomically Traceable Nanostructure Fabrication

Reducing the scale of etched nanostructures below the 10 nm range eventually will require an atomic scale understanding of the entire fabrication process being used in order to maintain exquisite control over both feature size and feature density. Here, we demonstrate a method for tracking atomically resolved and controlled structures from initial template definition through final nanostructure metrology, opening up a pathway for top-down atomic control over nanofabrication. Hydrogen depassivation lithography is the first step of the nanoscale fabrication process followed by selective atomic layer deposition of up to 2.8 nm of titania to make a nanoscale etch mask. Contrast with the background is shown, indicating different mechanisms for growth on the desired patterns and on the H passivated background. The patterns are then transferred into the bulk using reactive ion etching to form 20 nm tall nanostructures with linewidths down to ~6 nm. To illustrate the limitations of this process, arrays of holes and lines are fabricated. The various nanofabrication process steps are performed at disparate locations, so process integration is discussed. Related issues are discussed including using fiducial marks for finding nanostructures on a macroscopic sample and protecting the chemically reactive patterned Si(100)-H surface against degradation due to atmospheric exposure.

We report a protocol for combining the atomic metrology of the Scanning Tunneling Microscope for surface patterning with selective Atomic Layer Deposition and Reactive Ion Etching. Using a robust process involving numerous atmospheric exposures and transport, 3D nanostructures with atomic metrology are fabricated.

Atomicamente tracciabile nanostrutture

Reducing the scale of etched nanostructures below the 10 nm range eventually will require an atomic scale understanding of the entire fabrication process ...

Fabrication of Low Temperature Carbon Nanotube Vertical Interconnects Compatible with Semiconductor Technology

We demonstrate a method for the low temperature growth (350 &#176;C) of vertically-aligned carbon nanotubes (CNT) bundles on electrically conductive thin-films. Due to the low growth temperature, the process allows integration with modern low-&#954; dielectrics and some flexible substrates. The process is compatible with standard semiconductor fabrication, and a method for the fabrication of electrical 4-point probe test structures for vertical interconnect test structures is presented. Using scanning electron microscopy the morphology of the CNT bundles is investigated, which demonstrates vertical alignment of the CNT and can be used to tune the CNT growth time. With Raman spectroscopy the crystallinity of the CNT is investigated. It was found that the CNT have many defects, due to the low growth temperature. The electrical current-voltage measurements of the test vertical interconnects displays a linear response, indicating good ohmic contact was achieved between the CNT bundle and the top and bottom metal electrodes. The obtained resistivities of the CNT bundle are among the average values in the literature, while a record-low CNT growth temperature was used.

A method for the growth of low temperature vertically-aligned carbon nanotubes, and the subsequent fabrication of vertical interconnect electrical test structures using semiconductor fabrication is presented.

Fabbricazione di bassa temperatura Nanotubi di carbonio interconnessioni verticali Compatibile con la tecnologia Semiconductor

We demonstrate a method for the low temperature growth (350 &#176;C) of vertically-aligned carbon nanotubes (CNT) bundles on electrically conductive ...

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 ...

Growth and Electrostatic/chemical Properties of Metal/LaAlO3/SrTiO3 Heterostructures

The quasi 2D electron system (q2DES) that forms at the interface between LaAlO3 (LAO) and SrTiO3 (STO) has attracted much attention from the oxide electronics community. One of its hallmark features is the existence of a critical LAO thickness of 4 unit-cells (uc) for interfacial conductivity to emerge. Although electrostatic mechanisms have been proposed in the past to describe the existence of this critical thickness, the importance of chemical defects has been recently accentuated. Here, we describe the growth of metal/LAO/STO heterostructures in an ultra-high vacuum (UHV) cluster system combining pulsed laser deposition (to grow the LAO), magnetron sputtering (to grow the metal) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). We study step by step the formation and evolution of the q2DES and the chemical interactions that occur between the metal and the LAO/STO. Additionally, magnetotransport experiments elucidate on the transport and electronic properties of the q2DES. This systematic work not only demonstrates a way to study the electrostatic and chemical interplay between the q2DES and its environment, but also unlocks the possibility to couple multifunctional capping layers with the rich physics observed in two-dimensional electron systems, allowing the fabrication of new types of devices.

Growth and Electrostatic/chemical Properties of Metal/LaAlO3/SrTiO3 Heterostructures

We fabricate metal/LaAlO3/SrTiO3 heterostructures using a combination of pulsed laser deposition and in situ magnetron sputtering. Through magnetotransport and in situ X-ray photoelectron spectroscopy experiments, we investigate the interplay between electrostatic and chemical phenomena of the quasi two-dimensional electron gas formed in this system.

Crescita ed elettrostatico/chimica proprietà di metallo/LaAlO3/SrTiO3 eterostrutture

The quasi 2D electron system (q2DES) that forms at the interface between LaAlO3 (LAO) and SrTiO3 (STO) has attracted much attention from the oxide ...

Atomic Layer Deposition of Vanadium Dioxide and a Temperature-dependent Optical Model

Vanadium dioxide is a material that has a reversible metal-insulator phase change near 68 &#176;C. To grow VO2 on a wide variety of substrates, with wafer-scale uniformity and angstrom level control of thickness, the method of atomic-layer deposition was chosen. This ALD process enables high-quality, low-temperature (&#8804;150 &#176;C) growth of ultrathin films (100-1000 &#197;) of VO2. For this demonstration, the VO2 films were grown on sapphire substrates. This low temperature growth technique produces mostly amorphous VO2 films. A subsequent anneal in an ultra-high vacuum chamber with a pressure of 7x10-4 Pa of ultra-high purity (99.999%) oxygen produced oriented, polycrystalline VO2 films. The crystallinity, phase, and strain of the VO2 were determined by Raman spectroscopy and X-ray diffraction, while the stoichiometry and impurity levels were determined by X-ray photoelectron spectroscopy, and finally the morphology was determined by atomic force microscopy. These data demonstrate the high-quality of the films grown by this technique. A model was created to fit to the data for VO2 in its metallic and insulating phases in the near infrared spectral region. The permittivity and refractive index of the ALD VO2 agreed well with the other fabrication methods in its insulating phase, but showed a difference in its metallic state. Finally, the analysis of the films&#39; optical properties enabled the creation of a wavelength- and temperature-dependent model of the complex optical refractive index for developing VO2 as a tunable refractive index material.

Thin films (100-1000 &#197;) of vanadium dioxide (VO2) were created by atomic-layer deposition (ALD) on sapphire substrates. Following this, the optical properties were characterized through the metal-insulator transition of VO2. From the measured optical properties, a model was created to describe the tunable refractive index of VO2.

Deposizione di strati atomici di diossido di vanadio e un modello ottico temperatura-dipendente

Vanadium dioxide is a material that has a reversible metal-insulator phase change near 68 &#176;C. To grow VO2 on a wide variety of substrates, with ...

Solvothermal Synthesis of MIL-96 and UiO-66-NH2 on Atomic Layer Deposited Metal Oxide Coatings on Fiber Mats

Metal-organic frameworks (MOFs), which contain reactive metal clusters and organic ligands allowing for large porosities and surface areas, have proven effective in gas adsorption, separations, and catalysis. MOFs are most commonly synthesized as bulk powder, requiring additional processes to adhere them to functional devices and fabrics that risk decreasing the powder porosity and adsorption capacity. Here, we demonstrate a method of first coating fabrics with metal oxide films using atomic layer deposition (ALD). This process creates conformal films of controllable thickness on each fiber, while providing a more reactive surface for MOF nucleation. By submerging the ALD coated fabric in solution during solvothermal MOF synthesis, the MOFs create a conformal, well-adhered coating on the fibers, resulting in a MOF-functionalized fabric, without additional adhesion materials that may block MOF pores and functional sites. Here we demonstrate two solvothermal synthesis methods. First, we form a MIL-96(Al) layer on polypropylene fibers using synthetic conditions that convert the metal oxide to MOF. Using initial inorganic films of varying thicknesses, diffusion of the organic linker into the inorganic allows us to control the extent of MOF loading on the fabric. Second, we perform a solvothermal synthesis of UiO-66-NH2 in which the MOF nucleates on the conformal metal oxide coating on polyamide-6 (PA-6) fibers, thereby producing a uniform and conformal thin film of MOF on the fabric. The resulting materials can be directly incorporated into filter devices or protective clothing and eliminate the maladroit qualities of loose powder.

Solvothermal Synthesis of MIL-96 and UiO-66-NH2 on Atomic Layer Deposited Metal Oxide Coatings on Fiber Mats

Metal-organic frameworks are effective in gas storage and heterogeneous catalysis, but typical synthesis methods result in loose powders that are difficult to incorporate into smart materials. We demonstrate a method of first coating fabrics with ALD metal oxides, resulting in conformal films of MOF on the fabrics during solvothermal synthesis.

Sintesi di Solvothermal di MIL-96 e UiO-66-NH2 su strato atomico depositato rivestimenti in ossido di metallo su stuoie di fibra

Metal-organic frameworks (MOFs), which contain reactive metal clusters and organic ligands allowing for large porosities and surface areas, have proven ...

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

Riepilogo

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