Production of Ti-6Al-4V ? Stainless Steel 316L auxetic structures using Selective Laser Melting (SLM) for high energy impact absorption applications

Abstract

Selective Laser Melting (SLM) é atualmente um dos métodos mais promissores em AM. O principio do SLM é de sinterizar e fundir o pó camada por camada usando um feixe de laser. Esse processo traz várias possibilidades, como uma ampla gama de geometrias que podem ser produzidas, rápida fabricação, elevada precisão dimensional e alta densificação dos componentes, no entanto, ocorre a criação de grandes estresses residuais (RS). Por outro lado, materiais e estruturas auxéticas apresentam uma série de características originais (coeficiente de Poisson negativo - NPR, aprimorada resistência à indentação, elevado módulo de cisalhamento), o que torna essa classe de materiais bastante única. Entretanto, uma parte significativa da pesquisa em auxéticos ocorre com maior intensidade nos polímeros, tanto pela facilidade da obtenção dessa propriedade, quanto pela elevada disponibilidade de métodos de fabricação. Até o presente, pouco tem sido investigado sobre estruturas auxéticas metálicas obtidos por SLM. Associando as propriedades diferenciadas das ligas de titânio a geometrias com propriedades auxéticas, a fabricação por SLM permite obter diversas aplicações. O objetivo principal desta pesquisa é simular e manufaturar estruturas auxéticas baseadas em liga de Ti-6Al-4V por SLM. Enquanto prioridade secundária, vem a formulação de aplicações em absorção de impactos de alta energia. Resultados prévios de simulação numérica demonstraram o grande potencial da pesquisa em auxéticos: um projetil de calibre 7.62 mm com velocidade entre 100 m/s até 400 m/s pode ser totalmente neutralizado por uma estrutura auxética fabricada em Ti-6Al-4V.

Abstract: Selective Laser Melting (SLM) figures as one of the most promising Additive Manufacturing (AM) methods at present day. The principle of SLM is to sinter and melt powder layer by layer using a laser beam. This process brings many possibilities, such as a vast range of geometries that can be produced, rapid fabrication, high dimensional accuracy and high densification of parts, nevertheless, a significant amount of Residual Stresses (RS) are created. On the other hand, auxetic materials present a series of peculiar properties (Negative Poisson Ratio - NPR, enhanced indentation resistance, increased shear modulus), which make this class of materials very unique. Still, most of the research in auxetics is more intensive in polymers, because of the ease to obtain this property. Up to date, very little research has been done in auxetic metallic materials produced by SLM. Because of their unique combination of mechanical, physical and chemical properties, Titanium alloys represent a promising research subject. It is known that parts containing Ti and alloys are more easily fabricated using SLM. Associating titanium alloys unique properties with the proper geometries that lead to auxetic properties, SLM method can be used to create several applications. The first aim of this research is to simulate and manufacture re-entrant auxetic structures composed of Titanium - Ti-6Al-4V using SLM. The second aim is to formulate high energy absorption impact applications. Preliminary numerical simulation results illustrate the great potential of auxetics research: a 7.62 mm projectile traveling between 100 m/s to 400 m/s can be completely suppressed by a single Ti-6Al-4V auxetic structure.