Master's Thesis

Application of Metal Additive Technology in Production of a Blisk for Turbine Engine of a Auxiliary Power Unit

Final Thesis 14.47 MB

Author of thesis: Ing. Jan Robl

Acad. year: 2019/2020

Supervisor: prof. Ing. Josef Sedlák, Ph.D.

Reviewer: Ing. Petr Ňuksa

Abstract:

The thesis deals with the possible use of additive technology in the production of strong thermally exposed components of turbine engines. The first part of the thesis is dedicated to the issue of processing heat-resistant materials by SLM method, introduction of conventional production of selected part and outline of currently used progressive methods in precision casting technology. These theoretical findings are further applied in the practical part of the thesis, which deals with the analysis of mechanical properties of cast and printed material IN 939. Experimental part also includes production of the blisk of the first stage turbine of the auxiliary power unit S5L by SLM additive technology. The thesis also includes analysis of fracture surfaces and metallographic analysis of samples using light and scanning electron microscopy. The thesis ends with the evaluation of the achieved results.

Keywords:

Additive technology, 3D printing, SLM method, IN 939

Date of defence

21.07.2020

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Diplomant seznámil komisi s obsahem a výsledky své diplomové práce a zodpověděl otázky vedoucího, oponenta a dalších členů komise: V průběhu obhajoby byly zodpovězeny následující doplňující otázky: 1. Jaká je velikost zrníček? zodpovězeno 2. Jaká je tloušťka vrstvy? zodpovězeno 3. Jak bude probíhat řádkování? zodpovězeno 4. Vysvětlete snímek lomové plochy na straně 18 prezentace. Co jsou to za částice? zodpovězeno 5. Jak se pohybovala tažnost u tisknutých vzorků? zodpovězeno 6. Co je to TEM lamela? zodpovězeno 7. Co ukazujete ve struktuře na stránce 17 Vaší prezentace? zodpovězeno 8. Jak poznáte, že materiál opravdu začíná zpěvnovat? zodpovězeno 9. Jak navádíte paprsek? zodpovězeno 10. Jak máte orentované vzorky během tištění? zodpovězeno 11. Proč jsou stěny u průtočného kola zborcené? zodpovězeno 12. Kde se daná součástka tiskla? zodpovězeno 13. Na obrázku na straně 9 vaší prezentace jsou rozmístěny tyčinky. To odpovídá skutečnému rozmístění při tisku? Skutečně zkušební tyčky dokáží demostrovat mechanické vlastnosti skutečné součástky? zodpovězeno 14. Kolik procent je po HIP a před? zodpovězeno 15. Čím budete daný výrobek obrábět? částečně zodpovězeno

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Mechanical Engineering (M2I-P)

Field of study

Manufacturing Technology and Management in Industry (M-STM)

Composition of Committee

prof. Ing. Miroslav Píška, CSc. (předseda)
doc. Ing. Anton Humár, CSc. (místopředseda)
doc. Ing. Milan Dvořák, CSc. (člen)
Ing. Vítězslav Svoboda, Ph.D. (člen)
Ing. Monika Horáková, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
prof. Ing. Josef Sedlák, Ph.D.

Posuzovaná diplomová práce je zpracována v souladu se zadáním na výborné úrovni. Práce se mimo jiné zabývá zejména využitím aditivní technologie pro výrobu silně tepelně exponovaných součástí turbínového motoru ve společnosti PBS Velká Bíteš, a. s. Práce je rozdělena na dvě části – teoretickou a praktickou. Teoretická část práce je zaměřena na představení společnosti PBS Velká Bíteš, a. s. a charakteristiku jejího výrobního programu. Součástí teorie je rovněž analýza zpracování žárupevných materiálů aditivní metodou Selective Laser Melting s charakteristikou konvenčního způsobu výroby zadaného dílce a nastíněním trendu v podobě aktuálně používaných progresivních metod aplikovaných v technologii přesného lití. Praktická část práce se zabývá komplexní analýzou mechanických vlastností a strukturou povrchu lité a tisknuté niklové superslitiny Inconel 939 v podobě zkušebních vzorků. Součástí praktické části práce je rovněž výroba oběžného axiálního kola turbínového motoru pomocné energetické jednotky S5L aditivní metodou Selective Laser Melting s promyšleným nastavením tiskových parametrů na základě předchozích zkušeností. V této části práce je také proveden rozbor lomových ploch a metalografická EDX analýza zkušebních litých a tisknutých vzorků s využitím světelné a skenovací elektronové mikroskopie. V závěru práce je provedena metrologická kontrola vytisknutého oběžného kola pomocí 3D optického skeneru ATOS, zhodnocení struktury jeho povrchu po provedeném postprosessingu a další nezbytné testy (fluorescenční penetrační kontrola, rentgenové testování, měření předepsaných rozměrů), které předcházely testování takto vyrobeného oběžného kola v turbíně motoru. Práce je ukončena diskusí a celkovým zhodnocením dosažených výsledů obou aplikovaných technologií z pohledu analyzovaných zkušebních vzorků. Závěr práce je doplněn rovněž o zhodnocení využitelnosti technologie 3D tisku pro výrobu turbínových komponent a dalších dílů v letecké technice.
Posuzovaná diplomová práce je zpracována v souladu se zadáním na výborné úrovni. Diplomant získával potřebné informace a podklady na pravidelných konzultacích nejen na různých školních pracovištích, ale také ve společnosti PBS Velká Bíteš, a. s., která se podílela na řešení uvedeného tématu. Získané informace maximálně zužitkoval v předložené práci. Po grafické stránce je práce zpracována rovněž na výborné úrovni. Podklady potřebné pro svoji práci diplomant čerpal z literárních, odborných a elektronických zdrojů, o které se také opírá. Při řešení diplomové práce postupoval diplomant správně. Prezentované výsledky jsou přesvědčivé a jsou přehledně uspořádány pomocí obrázků, tabulek a grafických závislostí. Práce je přehledná a srozumitelná. Z výše uvedených skutečností vyplývá, že diplomant splnil zadání v plném rozsahu, a proto
               
doporučuji

diplomovou práci k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A
Display more

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Petr Ňuksa

Diplomová práce se drží zadaného tématu. Je poměrně obsáhlá z hlediska provedených a evaluovaných zkoušek. Jsou navrženy cíle v teoretické části a popsány vlivy anizotropie výroby zkušebních vzorků, které jsou předpokládány v rámci literárních zdrojů s praktickým ověřením v praktické části práce. Zaměření především cílí na volbu materiálů určených pro 3D tisk z niklových superslitin k praktickému využití v průmyslu, především v letectví, avšak výsledky práce jsou transponovatelné i do oblasti výroby odlitků – resp. využití přímého 3D tisku kovu hotových dílů do oblasti rotorových a statorových částí plynových spalovacích turbín. Práce popisuje věrohodně dosažených výsledků mechanických vlastností z pohledu použitelnosti pro dosažený kýžených výsledků a návrh možných inovativních úprav z hlediska tloušťky tisknuté vrstvy s ohledem na dosahované vlastnosti finálních výrobků. Práce má zásadní význam v evaluaci vyráběných dílů metodou 3D tisku pro následný výzkum jejich praktické použitelnosti v demostrátorech pro použití v letectví.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. explain the influence of the thickness of the printed layer on the mechanical properties of castings with a possible future direction of the ongoing work with regard to achieving optimal mechanical properties of the final products. Also evaluate the effect of anisotropy by determining the optimal direction of printing to ensure maximization of usable mechanical properties for the aerospace and IGT industries.
Display more

Grade proposed by reviewer: A