Doctoral Thesis

Effect of postprocessing on structure and properties alternatively prepared metallic materials

Final Thesis 13.14 MB Summary of Thesis 3.42 MB

Author of thesis: Ing. Josef Izák, Ph.D.

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: prof. Ing. Radim Kocich, Ph.D.

Reviewers: prof. Dr. Ing. Bohuslav Mašek, doc. RNDr. Libor Mrňa, Ph.D.

Abstract:

Alternative manufacturing processes, such as additive technologies, are currently the subject of intensive research because they represent innovative approaches with potential advantages compared to conventional manufacturing methods. On the other hand, for their broader commercial application, it is necessary to address certain issues accompanying these processes. Among the best-known additive technologies is 3D printing, but materials produced in this way may exhibit a certain degree of porosity, unfavourable residual stress states and microstructures, and consequently lower static or dynamic properties, whether at room or elevated temperatures. One possibility for optimizing these challenges is post-processing of such materials. In this work, the research focuses on methods such as thermal or thermo-mechanical treatment and their effect on selected properties of metallic materials produced by alternative processes (SLM technology). The investigated materials comprised the tool steel Dievar, AISI H13, and the nickel-based superalloy Inconel 718. The results indicate that thermo-mechanical processing has a beneficial effect on microstructure evolution, modification of residual stress within the material, reduction of porosity, and enhancement of mechanical properties. To evaluate the effect of post-processing, conventional as well as non-conventional methods were employed, such as accelerated creep testing.

Keywords:

Hot-work tool steel, Dievar, AISI H13, nickel-based alloy, Inconel 718, additive manufacturing, 3D printing, SLM, Selective laser melting, rotary swaging, heat treatment, ACT

Date of defence

06.01.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaPznamka

Process of defence

Práce přináší nové vědecké poznatky v oblasti aditivních technologií 3D tisku s následným post processingem. Unikátní výsledky přináší práce v oblasti zbytkového napětí při použití sledovaných technologií. Výsledky práce mají vysoký potenciál uplatnění v praxi pro speciální aplikace. Za drobný nedostatek lze považovat to, že není dostatečně diskutována svařitelnost u zkoumaných vzorků. Z práce není zřejmé, proč bylo důležité se oblastí svařitelnosti zabývat. Práce je jinak vědecky a odborně na velmi dobré úrovni.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Manufacturing Technology (D-STG-P)

Composition of Committee

doc. Ing. Antonín Záděra, Ph.D. (předseda)
prof. Dr. Ing. Bohuslav Mašek (člen)
doc. RNDr. Libor Mrňa, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Petr Lichý, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Karel Gryc, MBA, Ph.D. (člen)
Ing. Petr Král, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
prof. Ing. Radim Kocich, Ph.D.

Předložená práce se zabývá problematikou vlivu postprocessingu na materiálové charakteristiky a vlastnosti vybraných alternativně vyrobených kovových systémů. Z práce vyplývá hlavní motiv těchto snah, a sice potlačení nežádoucích efektů doprovázejících problematiku aditivní technologie 3D tisku jako je úroveň porozity a problematické rozložení vnitřního napětí ve struktuře. Vedle vybraných alternativních metod přípravy jako je přímá konsolidace kovových prášků se autor věnuje zejména aditivní výrobě pomocí 3D tisku. Jednotlivé metody tohoto postupu jsou nastíněny v teoretické části, včetně výčtu jejich výhod a nevýhod.

Zvolené analyzované kovové materiály byly připraveny jak pomocí technologie SLM tak i pomocí konvenčních postupů výroby, které byly připraveny pro možné srovnání s alternativně připravenými variantami. Studie se pak konkrétně upírá na nástrojovou ocel H13, ocel Dievar, a superslitinu Inconel 718. Práce je koncipována jako výzkum samotného postprocessingu, který byl založen na aplikaci plastické deformace a tepelného zpracování, a jeho finální vliv na vývoj struktury a dalších fenoménů jako je vnitřní napětí. Mezi testovanými vlastnostmi pak byly mechanické charakteristiky takto modifikovaných systémů za pokojové teploty ale také i dílčím způsobem hodnocené mechanické vlastnosti za vysokých teplot. Velmi vhodným nástrojem využitým při tvorbě práce se jeví být i aplikace numerických simulací.

Chtěl bych vyzdvihnout vhodně zvolené metody charakterizace vývoje struktury, jakož i vlastností mezi nimiž figurovaly optická i elektronová mikroskopie, RTG difrakce, neutronová difrakce, μ CT, FEM simulace, akcelerovaný creep a další. Vzhledem k vytčeným cílům se jeví být velmi přínosné ve smyslu charakterizace jednotlivých procesních kroků. Významným přínosem k současnému poznání je taktéž i stanovení deformačních odporů jednotlivých testovaných materiálů a to jak před tak po postprocessingu. Díky těmto informacím tak autor zmapoval problematiku dynamického zpevňování a uzdravování materiálů ve vytýčeném intervalu teplot jakož i deformačních rychlostí, což je nezbytný předpoklad pro implementaci těchto alternativně vyrobených materiálů do praktických podmínek.

Mezi dosaženými výsledky lze zmínit optimalizaci parametrů 3D tisku u nástrojové oceli, kdy tato vedla k výraznému potlačení porozity. Bez ohledu na zvolený materiál bylo prokázáno, že dodatečné zpracování dokáže potlačit úroveň porozity ale také příznivě upravit rozložení a úroveň vnitřního napětí. Uvedeným zpracováním lze tak ovlivnit nejen mechanické vlastnosti ale také například svařitelnost materiálů či jejich životnost. Velmi oceňuji také snahu studenta o návrh a tvorbu konstitutivních modelů platných pro takto připravené polotovary, neboť díky nim lze již podobné matriály podrobovat i numerickým simulacím.

Předložená práce obsahuje jisté množství pravopisných chyb či překlepů, nicméně i přes tuto výtku přináší řadu nových poznatků a výsledků, které lze označit za prakticky využitelné, a mohu doporučit práci k obhajobě.

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
prof. Dr. Ing. Bohuslav Mašek

viz. posudek v PDF
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 550,94 kB

Reviewer’s report
doc. RNDr. Libor Mrňa, Ph.D.

viz. posudek v PDF
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 209,05 kB

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová