Δημιουργία στρωματικών δομών με τεχνικές συγκόλλησης. Τριβολογικές ιδιότητες

Abstract

Η τεχνολογία της προσθετικής κατασκευής, γνωστή ως τρισδιάστατη εκτύπωση αποτελεί μια πρωτοποριακή τεχνολογία, η οποία χρησιμοποιεί σήματα υπολογιστή για τη δημιουργία διαδοχικών στρωμάτων υλικού για την παραγωγή τρισδιάστατων εξαρτημάτων σε διάφορες μορφές σε αντίθεση με της παραδοσιακές μεθόδους στις οποίες έχουμε αποκλειστικά και μόνο αφαίρεση υλικού. Αυτού του είδους οι τεχνολογίες έχουν γνωρίσει τα τελευταία χρονια τεράστια ανάπτυξη. Μια από τις πρωταρχικές κατηγορίες προσθετικής κατασκευής αποτελεί η Direct Energy Deposition · κατηγορία την οποία απαρτίζουν αρκετές τεχνικές τρισδιάστατης εκτύπωσης με βασικότερη όμως -και με αυτή που ασχολείται η παρούσα μελετη- την τεχνική Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM). Υπάρχουν αρκετές ερευνητικές εργασίες οι οποίες μελετούν τη δημιουργία εξαρτημάτων με την χρήση υλικών που παρασκευάζονται για εφαρμογές τρισδιάστατης εκτύπωσης, ωστόσο δεν υπάρχουν μελέτες που να ερευνούν την κατασκευή δείγματος από το συγκεκριμένο παραγεμιστό υλικό πλήρωσης με εμπορική ονομασία ΟΑ 4923, το οποίο ενδείκνυται για εφαρμογές αναγόμωσης σε σκαπτικά μηχανήματα από τον κατασκευαστή. Με την ανάπτυξη της αριθμητικής ανάλυσης η μέθοδος των πεπερασμένων στοιχείων (Finite Element Method, FEM) βρήκε σημαντικές εφαρμογές και στον κλάδο των συγκολλήσεων, δημιουργώντας έτσι προβλέψεις για σημαντικές παραμέτρους που την αφορούν, όπως της παραμένουσες τάσεις και της παραμορφώσεις. Αυτή η μέθοδος της μοντελοποίησης δίνει πληροφορίες σχετικά με την λήψη βάσης δεδομένων και αποτελεσμάτων από την εκτέλεση του εικονικού πειράματος για την βελτιστοποίηση της τεχνικής WAAM, αλλά και των παραμέτρων συγκόλλησης για την ομαλή εναπόθεση των στρώσεων και το συντονισμό των θερμικών κύκλων που προκαλούνται από το τόξο της συγκόλλησης, ώστε να μην επηρεάζουν αρνητικά τις ιδιότητες του προς δημιουργία εξαρτήματος. Στην παρούσα εργασία αξιολογούνται οι τριβολογικές ιδιότητες δύο διαφορετικών υλικών, ενός χάλυβα Hardox και του υλικού του δείγματος που κατασκευάσαμε, χρησιμοποιώντας την τυποποιημένη δοκιμή τριβής τύπου στυλίσκου - δίσκου (pin-on-disk). Σαν ανταγωνιστικό υλικό (στυλίσκος) χρησιμοποιήθηκε σφαίρα από Al2O3, η οποία ολισθαίνει πάνω στην επιφάνεια των υλικών. Η μεταβολή του συντελεστή τριβής μ και του όγκου φθοράς καταγράφηκαν συναρτήσει του εφαρμοσμένου κάθετου φορτίου (5N και 10N) και του αριθμού περιστροφών, με σταθερή ταχύτητα ολίσθησης (0,3 m/s). Η εξέλιξη του όγκου φθοράς και του συντελεστή τριβής μ µαζί µε τις πρόσθετες µικροσκοπικές παρατηρήσεις των φθαρμένων επιφανειών οδηγούν στην αξιολόγηση της αντίστασης στη φθορά και στην αποκάλυψη των εμπλεκομένων µηχανισμών φθοράς, με αποτέλεσμα να γίνεται εφικτή η σύγκριση των τριβολογικών ιδιοτήτων των δυο εξεταζόμενων υλικών με σκοπό την χαρτογράφηση της τριβολογικης συμπεριφοράς του δείγματος που δημιουργήθηκε κατά την πειραματική διαδικασία. Καθώς κρίνεται αναγκαίο να καλυφθεί το συγκεκριμένο βιβλιογραφικό κενό, δημιουργώντας το κίνητρο για την έρευνα αυτής της επίδρασης, το αντικείμενο της παρούσας εργασίας αφορά την κατασκευή δείγματος με την χρήση τεχνικής τρισδιάστατης εκτύπωσης WAAM από υλικό πλήρωσης που χρησιμοποιείται κυρίως για εφαρμογές αναγόμωσης. Έπειτα πραγματοποιείται προσομοίωση της εκτύπωσης μέσω κατάλληλου λογισμικού FEΜ με σκοπό την πρόβλεψη των θερμομηχανικών φαινομένων που λαμβάνουν χωρά κατά την κατασκευή του δείγματος. Τέλος, κομμάτι του δείγματος που κατασκευάστηκε επεξεργάστηκε κατάλληλα, ώστε να μπορέσουμε να εξετάσουμε την τριβολογική του συμπεριφορά αλλά και να την συγκρίνουμε με την αντίστοιχη συμπεριφορά ενός χάλυβα Hardox.