Design and construction of a high-frequency ultrasonic vibration platform for grain refinement during direct energy deposition additive manufacturing

Abstract

The use of Wire arc additive manufacturing (WAAM) in the manufacturing industry has been greatly increasing in the past years. Thus, the research around improving this manufacturing method and its results, has become relevant. One of the method to achieve better material properties in the WAAM manufactured part, has been discovered to be introducing ultrasonic vibration to the process.

This thesis scope was to design and construct a test platform for ultrasonic vibration assisted WAAM process. This was done by reviewing the existing research in the field, evaluating suitable ultrasonic machinery and frequencies, modeling different potential solutions in a form of CAD, simulating the vibration in the model, and finally choosing the most prominent option for platform to be build. The conveyed ultrasonic vibration to the welding substrate was verified by measuring the vibration amplitude from varied points of the substrate. The effect on the printed part grain structure was examined by printing test samples, cutting a cross section of the samples and inspecting the change in microstructure on samples printed with and without ultrasonic vibration. The Vickers hardness test was also performed.

The test result shows, that when introducing ultrasonic vibration to the WAAM process, in microstructural level the test samples grain size decreases in comparison to the test samples without ultrasonic vibration. As well as the shape and direction of grains are more homogenous with ultrasonic vibration, in comparison to samples without, where the shape of the grains forms to be columnar and parallel with build direction z-axis. The hardness of the test samples could also be seen to be slightly better with ultrasonic vibration.

Kaarihitsaukseen perustuvan 3d-tulostuksen (wire arc additive manufacturing (WAAM)) käyttö teollisuudessa on lisääntynyt voimakkaasti viime vuosina. Näin ollen tämän valmistusmenetelmän ja sen tulosten parantamista koskeva tutkimus on näin ollen tullut merkitykselliseksi. Yksi tapa saavuttaa parempia materiaaliominaisuuksia WAAM-valmistetussa osassa, on havaittu olevan ultraäänivärähtelyn tuominen osaksi prosessia.

Tämän opinnäytetyön tarkoituksena oli suunnitella ja rakentaa testialusta ultraäänivärähtelyavusteiselle WAAM-prosessille. Tämä tehtiin tarkastelemalla alan olemassa olevaa tutkimusta, arvioimalla sopivat ultraäänikoneet ja -taajuudet, mallintamalla erilaisia mahdollisia ratkaisuja CAD-mallin muodossa, simuloimalla CAD-mallien eri värähdystaajuuksia ja lopuksi valitsemalla sopivin vaihtoehto rakennettavalle testialustalle. Hitsausalustalle välitetty ultraäänivärähtely varmistettiin mittaamalla värähtelyn amplitudi alustan eri kohdista. Vaikutusta 3d-tulostetun osan raerakenteeseen tutkittiin tulostamalla testinäytteitä, leikkaamalla näytteistä poikkileikkaus ja tarkastelemalla mikrorakenteen muutosta näytteissä, ultraäänivärähtelyn kanssa ja ilman.Testi näytteille suoritettiin myös Vickersin kovuustesti.

Testitulokset osoittavat, että kun ultraäänivärähtelyä WAAM-prosessiin tuodaan mukaan ultraäänivärähtelyä, mikrorakenne tasolla testinäytteiden raekoko pienenee verrattuna testinäytteisiin ilman ultraäänivärähtelyä. Lisäksi rakeiden muoto ja suunta ovat homogeenisempia ultraäänivärähtelyn kanssa verrattuna näytteisiin ilman värähtelyä, joissa rakeiden muoto on pylväsmäinen ja yhdensuuntainen 3d-tulostus prosessin z-akselin kanssa. Myös testinäytteiden kovuus voitiin nähdä olevan hieman parempi ultraäänivärähtelyn kanssa.