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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Os autores gostaria de reconhecer o projeto de pesquisa europeus pertencentes ao programa de pesquisa e inovação Horizonte 2020 Borealis - 3A classe energética máquina flexível para o novo aditivo e Subtractive fabricação na próxima geração do complexo 3D peças de metal

1. caracterização de pó
<ol><li>Coloque 3 g de Ti-6Al-4V pós a começar em uma fita de carbono adesivo dupla-face, que está localizada em um esboço de pino de alumínio e inserir dentro da câmara de amostra de um microscópio eletrônico de varredura de emissão de campo (FESEM) para analisar a morfologia do pó16.</li>
	<li>Medir a densidade aparente do pó através do preenchimento de um recipiente de3 30 cm e medir o peso de pó de acordo com a norma ASTM-B212.</li>
	<li>Execute análise química de começando em pó (5-10 g), usado em pó (5-10 g) e de analisador de plasma (ICP) depositado bloco (20g) por meio de elemental (por exemplo, Leco) e indutivamente acoplado17.</li>
</ol>2. dirigido a deposição de energia de Single Tracks
<ol><li>
Carregamento de pó
	<ol>
<li>Utilize equipamento de protecção pessoal, incluindo uma máscara respiratória de FFP3 compatível com os requisitos da EN 149, luvas de nitrilo sem pó descartável e óculos protectores de plástico.</li>
		<li>Abra o funil do pó sistema de alimentação e use um exaustor (por exemplo, ATEX) para remover o pó residual.</li>
		<li>Retire o funil seguindo as instruções adequadas dadas pelo construtor e limpe todos os componentes usando toalhas de papel embebida em álcool etílico. Nota: Este passo é fundamental para evitar a contaminação por diferentes tipos de pós metálicos.</li>
		<li>Remonte o pó funil de alimentação, seguindo as instruções dadas pelo construtor. Deixe de lado apenas a tampa superior do funil para realizar o carregamento do pó.</li>
		<li>Carregar o funil com pós de Ti-6Al-4V com granulometria na faixa de 50-150 µm. dependendo do tamanho do funil disponível, preenchê-lo completamente.</li>
		<li>Feche a tampa superior do funil muito firmemente para evitar qualquer vazamento de gás.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Preparação da amostra
	<ol>
<li>Pegue uma folha de Ti-6Al-4V com dimensões de 50 x 50 mm e 4 mm de espessura.</li>
		<li>Limpe a superfície da folha de titânio com toalhas de papel embebida em álcool etílico. Medir o peso da folha com uma balança centesimal.</li>
		<li>Coloque a folha na área de trabalho, de acordo com a posição do marcador. A área de trabalho é onde a deposição ocorrerá, assim que for determinado de acordo com o programado caminho do robô.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Preparação do robô e preparação do equipamento de deposição
	<ol>
<li>Monte o bocal na cabeça do laser, de modo que o ângulo entre o eixo do bocal e o eixo do laser é de 35°.</li>
		<li>Mova o robô ao ponto de partida do trabalho para realizar a calibração.</li>
		<li>Verifique a distância entre o bocal e o plano de trabalho e, se necessário, corrigir manualmente a posição do bocal até a distância medida é de 5 mm. Nota: Desde que a área de trabalho coloca-se sobre um plano horizontal, essa distância é a distância vertical entre a folha de metal e a ponta do bico.</li>
		<li>Verifique a centralização da saída do bocal com o laser: em primeiro lugar, ligue o guia laser clicando no comando "Laser guia ON" sobre o software para o controle do laser. Em seguida, colocar uma haste fina, medindo 0,8 mm de diâmetro e 200 mm de comprimento, dentro do bocal. Verifique se a ponta da haste e o ponto do guia do laser são coincidentes. Caso contrário, ajustar manualmente a posição do bocal, respeitando as distâncias e ângulos anteriormente indicados. Nota: neste caso, o diâmetro externo do bocal é 1mm; Se é empregado um bocal com um diâmetro menor, use uma haste cujo diâmetro é menor do que o bocal.</li>
		<li>Verifique se os dados de calibração gravados no software de controle do robô: clique no botão "Apply" no software e esperar para a compilação do código. Nota: O software irá verificar se há erros no código; Se não há erros são detectados, o código é armazenado no controlador de robô. Se forem detectados erros, não vai ser compilado o código, e ainda mais revisão serão necessários.</li>
		<li>Habilitar o módulo de fonte de laser clicando o comando "enable Laser" sobre o software de controle do laser. Nota: A fonte de laser independentes é um laser de fibra contínua emitindo na região do infravermelho (1064 nm) com potência máxima de 5 kW.</li>
		<li>Ativar motores do robô por manualmente pressionando o botão "Robô motores em" sobre o armário de controle do robô e verificar que a segurança relacionada LED estiver aceso: se, então, isso significa que os motores são habilitados.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Iniciar o processo de deposição
	<ol>
<li>Selecione o arquivo apropriado na lista de programas existentes e carregar o caminho de trabalho para a rotina principal do robô.</li>
		<li>Verifique os parâmetros do laser e robô: definir a potência do laser para o poder do laser específico (325 650, 980, 1500 W) e a velocidade do robô para uma determinada velocidade (30, 40, 50, 60 mm/s). Nota: Estes parâmetros são escritos para o software de controle do robô, de acordo com a linguagem específica da máquina.</li>
		<li>Confirmar os novos parâmetros pressionando o botão "Apply" no software e aguarde a compilação do código. O software irá verificar se há erros no código; Se não há erros são detectados, o código é armazenado no controlador de robô e está pronto para ser lançado. Inicie a rotina de robô pressionando o botão "Iniciar" no software de controle do robô.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Pegar a amostra usando a pinça especial e limpe a superfície da amostra com uma toalha de papel embebida em álcool etílico para retirar qualquer pó residual.</li>
</ol>3. analisar os Single Tracks
<ol><li>Analise as única faixas de cima por um microscópio estéreo 5 ampliação de X. Nota: Nesta fase, algumas imagens são tomadas através de um microscópio estéreo e analisadas visualmente.</li>
	<li>Corte as faixas single do meio das faixas depositadas perpendicular à direção de deposição, usando uma ferramenta de corte preciso.</li>
	<li>Monte a seção transversal das faixas única em resina epóxi. Escolha um copo de montagem e coloque a amostra limpa e seca nele. Medir as quantidades corretas de resina cuidadosamente por peso (10 g/amostra) e misture com um endurecedor líquido (6 g/amostra). Despeje a mistura de resina sobre a amostra e deixar os copos cheios de montagem para curar durante 30 min à temperatura ambiente. Depois disso, moer os espécimes montados com 500, 800 e 1.200 papel de SiC de tamanho de grão e em seguida polir usando colar de diamante, até os mais finos tamanhos de partículas de diamante (1 µm).</li>
	<li>Analise as superfícies polidas em termos de forma e porosidade através de microscópio óptico. Adquirir as imagens de piscinas de derretimento com o microscópio ótico em ampliação de 10x e em seguida, analisá-los usando o software de imagem-J.</li>
	<li>Medir a altura das piscinas de derretimento, medindo a distância entre o topo e fundo da piscina do derretimento. Depois, Trace a altura medida do derretimento piscinas em função da densidade de energia específica, que é calculada de acordo com a equação correspondente. Com efeito, a densidade de energia pode ser calculada pela seguinte equação: <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/56966/56966eq1.jpg">
</li>
	<li>Cabe uma polinomial de ordem 2nd sobre os resultados experimentais para obter a equação correspondente à espessura da camada como uma função de densidade de energia específica.</li>
	<li>Considere uma densidade de energia específica e calcular a espessura da camada de acordo com a relação deles, o que foi observada na etapa anterior.</li>
	<li>Para verificar se o método, fabricar um bloco multicamado, considerando a espessura de camada calculado e em seguida caracterizar a seção de blocos em termos de porosidade e a altura final.</li>
	<li>Analise a microestrutura do bloco fabricado após um polimento passo no mesmo procedimento como seção 3.3. Na verdade, após o polimento final, etch as amostras para 30 s com reagente do Kroll, o qual contém 92 mL de água destilada, 6 mL de ácido nítrico e 2 mL de ácido fluorídrico.</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>

Os autores não têm nada para divulgar.

Neste trabalho, o foco foi sobre a definição de espessura de corte no processo DED de Ti-6Al-4V, de acordo com a geometria das características de piscina de derreter. Para este efeito, um protocolo de duas etapas foi definido e utilizado. A primeira parte do protocolo era uma otimização dos parâmetros de processo para deposição de digitalização única e, durante esta etapa, os parâmetros ideais foram alcançados e as geometrias de piscina de derretimento foram medidas. Na segunda parte do protocolo, foi calcul...

Ti-6Al-4V é o mais usado indústrias biomédicas e liga de Ti na indústria aeroespacial, aeronave, automotiva, por causa de sua alta relação resistência-peso, tenacidade à fratura excelente, baixa gravidade específica, excelente resistência à corrosão e calor tratabilidade. No entanto, sua evolução em outros aplicativos é um desafio, devido à sua baixa condutividade térmica e características de alta reatividade, que resultar em sua pobre usinabilidade. Além disso, devido ao calor de endurecimento fenômenos durante o corte, um tratamento de calor específico deve ser realizado1,2,3,4.
Não obstante, aditivo fabricação tecnologias (AM) mostrou grande potencial para ser usado como novas técnicas de fabricação que podem reduzir o consumo de energia e preço e abordar alguns dos desafios atuais na fabricação da liga Ti-6Al-4V.
Técnicas de fabricação de aditivos são conhecidas como inovador e pode fabricar uma forma líquida próxima componente forma um camada por camada. Uma abordagem de camada por camada de fabricação aditiva, que corta um modelo de Computer Aided Design (CAD) em camadas finas e em seguida, cria o componente de camada por camada, é fundamental para todos os métodos de AM. Em geral, fabricação de aditiva de materiais metálicos pode ser dividida em quatro processos diferentes: pó de cama, em pó (pó soprado) de alimentação, cabo de alimentação e outras rotas3,5,6.
Dirigido a deposição de energia (DED) é uma classe de fabricação aditiva e é um processo de pó soprado que fabrica tridimensional (3D) perto de partes sólidas do líquido forma de um arquivo CAD semelhante a outros métodos de AM. Em contraste com outras técnicas, DED não só pode ser usado como um método de fabricação, mas também pode ser utilizada como uma técnica de reparação de peças de alto valor. No processo de DED, material metálico de pó ou arame é alimentado por um gás portador ou motores dentro da piscina de derreter, que é gerado pelo laser de feixe em qualquer substrato ou anteriormente depositada camada. O processo DED é um processo de fabricação avançado promissor que é capaz de diminuir a proporção de compro-to-fly e também é capaz de reparar peças de alto valor que anteriormente eram proibitivamente caras substituir ou irreparáveis7.
Para alcançar o desejado dimensões geométricas e propriedades do material, é vital estabelecer parâmetros adequados de8. Vários estudos foram feitos para elucidar a relação entre os parâmetros de processo e as propriedades finais da amostra depositada. Peyre et al 9 construído algumas paredes finas com parâmetros de processo diferente e então caracterizada-os usando profilometry 2D e 3D. Eles mostraram que espessura de camada e volume da piscina derreter afetam os parâmetros de rugosidade visivelmente. O vim et al. 10 propôs um modelo para analisar a relação entre os parâmetros de processo e características geométricas de uma camada de revestimento único (altura folheada, folheado de largura e profundidade de penetração).
Até à data, vários estudos sobre DED de Ti ligas foram relatados, mais do que enfoca a influência da combinação de parâmetros nas propriedades de amostras maciça11,12,4. Rodrigues et al. estudou o efeito da taxa de fluxo de pó e velocidade de varredura sobre as propriedades resultantes da laser metal depositada liga Ti-6Al-4V. Eles acharam que, aumentando a velocidade de varredura e pó caudal a microestrutura mudou de Widmanstätten para uma microestrutura martensítica, que resulta em um incremento da rugosidade da superfície e a microdureza de espécimes depositados7. No entanto, menos atenção para projetar a definição de espessura de camada. Choi et al. têm investigado a correlação entre a espessura da camada e parâmetros do processo. Eles descobriram que as principais fontes de erro entre a altura do presente e a altura real são o pó vazão mássica taxa e camada de espessura configuração13. Seus estudos não implementou adequadamente definição de espessura de camada porque eles envolvidos processos longos e imprecisos na definição de espessura da camada. Ruan et al. investigaram o efeito da velocidade na altura de camada depositada em um poder constante do laser e pó alimentação taxa14de exploração do laser. Eles propuseram alguns modelos empíricos para definição de espessura de camada que foram obtidos em condições de processamento específico, e, portanto, a definição de espessura de camada pode não ser precisa devido a utilização de parâmetros de processo específico15. Em contraste com os trabalhos anteriores, a espessura da camada, definindo o processo proposto neste manuscrito é um método rápido, que pode ser realizado sem perder tempo e materiais.
O foco principal deste trabalho é desenvolver um método rápido para a determinação da espessura de camada, baseada nas características das faixas única da liga Ti-6Al-4V em parâmetros de processo DED ideais. Depois disso, os parâmetros de processo ideal são empregados para determinar a espessura da camada e fabricar blocos high-density de Ti-6Al-4V sem perder tempo e materiais.

<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

Dirigido a deposição de energia (DED), que é uma técnica de fabricação aditiva, envolve a criação de um pool derretido com um feixe de laser, onde o metal em pó é injetado como partículas. Em geral, esta técnica é empregada para fabricar ou reparar componentes diferentes. Nesta técnica, as características finais são afetadas por muitos fatores. Com efeito, uma das principais tarefas na construção de componentes por DED é a otimização dos parâmetros de processo (tais como o poder do laser, laser de velocidade, foco, etc.), que geralmente é realizada através de uma extensa investigação experimental. No entanto, este tipo de experimento é extremamente moroso e dispendioso. Assim, a fim de acelerar o processo de otimização, uma investigação foi conduzida para desenvolver um método baseado em caracterizações de piscina a derreter. Na verdade, nesses experimentos, única faixas de Ti-6Al-4V foram depositadas por um processo DED com várias combinações de poder do laser e do laser velocidade. Morfologia superficial e dimensões de faixas do single foram analisadas, e características geométricas de derretimento piscinas foram avaliadas após o polimento e gravura a secção transversal. Informações úteis relativas à selecção dos parâmetros de processo ideal podem ser alcançadas, examinando as características do pool de derreter. Estas experiências estão sendo estendidas para caracterizar os blocos maiores com várias camadas. Com efeito, este manuscrito descreve como seria possível determinar rapidamente a espessura de camada para a deposição maciça e evitar a sobre ou sob a deposição de acordo com a densidade de energia calculada dos parâmetros ideais. Além da sobre ou deposição insuficiente, tempo e materiais salvando são outras grandes vantagens desta abordagem, na qual a deposição de componentes multicamadas pode ser iniciada sem qualquer otimização de parâmetro em termos de espessura de camada.

Para os estudos experimentais, pó de Ti-6Al-4V irregular com um tamanho médio de 50-150 µm e densidade aparente de 1,85 g/cm3 foi empregado como depositar material (Figura 1). A análise química do pó confirmou que o conteúdo de oxigênio e nitrogênio do pó não alterou antes e após o processo de deposição, enquanto em ambos os casos, o conteúdo de oxigênio foi superior ao teor de oxigênio padrão de Ti-6Al-4V em pó para fabricação...

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

Nesta pesquisa, um método rápido, com base na caracterização de piscina de derretimento é desenvolvido para estimar a espessura da camada de componentes de Ti-6Al-4V, produzido pela deposição de energia dirigida.

Produção de Single Tracks de Ti-6Al-4V pela deposição de energia dirigida para determinar a espessura de camada para deposição de várias camada

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

Universidad de Cartagena UDEC

Research

JoVE Journal

Engineering

9.2K visualizações.  Politecnico di Torino. Nesta pesquisa, um método rápido, com base na caracterização de piscina de derretimento é desenvolvido para estimar a espessura da camada de componentes de Ti-6Al-4V, produzido pela deposição de energia dirigida.

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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.

Fabricação de Nano-engenharia transparentes Óxidos Realização por deposição por laser pulsado

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

Engenharia

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.

Nanofabricação de GaAs / AlGaAs Quantum Dots laterais de porta definidos

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.

Templates atomicamente definidos para crescimento epitaxial do Complexo Óxido Filmes Finos

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

Química

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.

Formação de espessas densas ítrio Ferro Garnet Films Usando Aerosol Deposição

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 rastreável Fabrication Nanostructure

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.

Fabricação de Baixa Temperatura de Nanotubos de Carbono Vertical Interconexões Compatível com Semiconductor Tecnologia

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.

Fabricação de filmes de cor ultra-fino com altamente absorvente Media usando ângulo oblíquo deposição

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.

Crescimento e eletrostático química/Propriedades de Metal/LaAlO3/SrTiO3 estende

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.

Deposição de camada atômica de dióxido de vanádio e um modelo ótico de temperatura-dependente

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.

Síntese de Solvothermal de MIL-96 e UiO-66-NH2 na camada atômica depositado revestimentos de óxido metálico em esteiras de fibra

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

Produção de Single Tracks de Ti-6Al-4V pela deposição de energia dirigida para determinar a espessura de camada para deposição de várias camada

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