Master's Thesis

Evaluation of machinability of 3D printed material

Final Thesis 6.53 MB

Author of thesis: Ing. Richard Bílek

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Štěpán Kolomý, Ph.D.

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

Abstract:

This master's thesis evaluates the machinability of 316L austenitic stainless steel. The study compares four types of samples. Two samples were produced using WLAM additive manufacturing technology, and the remaining two were produced conventionally by rolling. Within each pair, one sample was heat-treated by solution annealing and the other was left in its as-received condition. The testing methodology was designed based on a design of experiments (DoE), where six tests were performed on each sample under different cutting conditions. For each sample, three end mills were used, which were changed after every two tests so that each cutting tool operated at only one cutting speed. Machinability was evaluated based on the resulting force load, the resulting surface topography, the achieved surface hardening, and the morphology of the collected chips. Based on the analysis of the obtained data, recommendations for the machining of 316L austenitic stainless steel are provided.

Keywords:

machinability evaluation, 316L, additive manufacturing, milling, force load

Date of defence

16.06.2026

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. Na základě čeho jste volil materiál obrobku pro experiment? zodpovězeno 2. Byl průměr frézy 6 mm pro experiment adekvátní? Probíhalo měření mikrotvrdosti dle normy? zodpovězeno 3. Jaká doporučení pro praxi na základě Vaší práce můžete uvést? zodpovězeno 4. Jak probíhala příprava plochy před měřením tvrdosti? zodpovězeno Otázky členů komise byly zodpovězeny.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Manufacturing Technology (N-STG-P)

Specialization

Manufacturing Technology (STG)

Composition of Committee

prof. Ing. Josef Sedlák, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Jozef Majerík, PhD., EUR ING (místopředseda)
mjr. doc. Ing. David Dobrocký, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Igor Barényi, PhD., EUR ING (člen)
doc. Ing. Pavel Zeman, Ph.D. (člen)
prof. Dr. Ing. František Holešovský (člen)
Ing. Martin Petrenec, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Štěpán Kolomý, Ph.D.

Předložená diplomová práce je zaměřena na komplexní hodnocení obrobitelnosti korozivzdorné oceli 316L, přičemž klade důraz na porovnání vzorků vyrobených konvenčním způsobem a moderní aditivní technologií Meltio, a to jak v původním stavu, tak po aplikaci tepelného zpracování. Toto téma je velmi aktuální a představuje významný přínos v oblasti základního výzkumu jehož výsledky lze možné přenést do reálné výroby. Hlavním pilířem práce je experimentální porovnání chování těchto specifických struktur při frézování drážek pomocí frézy D6. Autor v rámci výzkumu precizně posuzuje obrobitelnost na základě klíčových parametrů, mezi které patří silové zatížení, výsledná topografie obrobeného povrchu (hodnocena pomocí optické a elektronového mikroskopu), morfologie třísky a v neposlední řadě také kinetika opotřebení řezného nástroje a změnu mikrotvrdosti v závislosti na vzdálenosti od obrobené plochy a FFT analýzu. V teoretické části jsou detailně popsány veličiny, které jsou následně sledovány a vyhodnoceny v praktické části. Student pracoval samostatně a celé zpracování diplomové práce je na vysoké úrovni odbornost. Ze získaných poznatků jsou vyvozeny adekvátní závěry, které jsou navíc podloženy a komentovány odbornou zahraniční literaturou, což považuji za velmi cenné. Dosažené výsledky jsou navíc zpracovány pomocí statistického vyhodnocení, což značně zvyšuje úroveň DP. Práce například odhaluje fakt, že upínání pomocí upínače Weldon může představovat značné rozdíly zatížení jednotlivých zubů, což je velmi dobře vysvětleno pomocí názorných obrázků. Práce splňuje všechny cíle, a proto ji plně doporučuji k obhajobě s celkovým hodnocením A – výborně.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level A
Work with used sources including quotations A
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: A

Posuzovaná diplomová práce je zpracována v souladu se zadáním na požadované úrovni. Práce se mimo jiné zabývá velmi aktuální problematikou hodnocení obrobitelnosti korozivzdorné austenitické oceli 316L vyrobené aditivní technologií, konkrétně 3D metodou Wire Laser Additive Manufacturing (WLAM). Práce je rozdělena na dvě části – teoretickou a praktickou. V teoretické části diplomant přehledně zpracoval literární rešerši zaměřenou na aditivní metody 3D tisku kovových materiálů, mezi nimiž podrobněji rozebírá technologii tavení v práškovém loži nebo přímé ukládání energie, a současně precizně definoval klíčové fyzikální ukazatele pro posouzení obrobitelnosti. Na tuto rešeršní problematiku plynule navazuje rozsáhlá praktická část, ve které diplomant navrhl komplexní metodiku testování čtyř různých typů vzorků na základě cíleně plánovaného experimentu (DoE). Praktická část práce zahrnuje experimentální frézování vzorků zhotovených pokročilou aditivní technologií WLAM i konvenčním válcováním, přičemž polovina z nich byla podrobena tepelnému zpracování, respektive rozpouštěcímu žíhání. Během náročného testování diplomant pečlivě sledoval a zaznamenával silové zatížení pomocí dynamometru, parametry drsnosti obrobeného povrchu, mikrotvrdost v podpovrchové vrstvě a morfologii odebíraných třísek. Získaná experimentální data byla následně systematicky utříděna, statisticky vyhodnocena a graficky interpretována s cílem stanovit optimální řezné podmínky a doporučení pro průmyslovou praxi. Závěr práce je zaměřen na zhodnocení a porovnání testovaných materiálů, kdy aditivně vyrobená korozivzdorná austenitická ocel 316L vykazuje oproti konvenčně válcovanému materiálu vyšší tvrdost, výraznou strukturní anizotropii a horší obrobitelnost, která se projevuje vyššími řeznými silami a nižší kvalitou obrobeného povrchu. Rozpouštěcí žíhání vedlo k homogenizaci mikrostruktury, snížení vnitřního napětí a potlačení anizotropie materiálu. Jeho vliv na kvalitu povrchu byl mírně pozitivní, protože parametr drsnosti povrchu Rz klesl přibližně o 4 %. Současně však tepelně zpracované vzorky vykazovaly při obrábění v průměru o 11 % vyšší celkovou řeznou sílu. U obou stavů materiálu bylo rovněž pozorováno obdobné deformační zpevnění podpovrchové vrstvy. Celá práce vykazuje logickou strukturu, kde na sebe jednotlivé kapitoly metodicky navazují a směřují k úspěšnému naplnění všech stanovených cílů zadání. Práci oceňuji zejména za vysokou úroveň provedených experimentů, značný rozsah realizovaných měření na pokročilých laboratorních zařízeních i hloubku následné analýzy naměřených dat, kdy její závěry obsahují cenné poznatky přímo aplikovatelné při dokončovacím obrábění aditivně zhotovených součástí v průmyslové praxi.

Je zřejmé, že diplomant věnoval zpracování diplomové práce značnou pozornost. Po grafické stránce je práce zpracována na odpovídající úrovni. Podklady potřebné pro svoji práci diplomant čerpal z literárních, odborných, ale převážně z elektronických zdrojů, o které se také opírá. V práci se vyskytují drobné formální náležitosti, které však nesnižují celkový dojem i kvalitu práce. Při řešení diplomové práce postupoval autor 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 zadání splnil, a proto doporučuji diplomovou práci k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout B
Grafic layout, used style and language level A
Work with used sources including quotations A
Topics for thesis defence:
  1. Jaká konkrétní doporučení z hlediska geometrie řezného nástroje, volby povlaku nebo řezného prostředí byste navrhl pro potlačení tvorby nárůstku, který byl u žíhaného materiálu pozorován při minimálních řezných podmínkách?
  2. Jakými metalurgickými nebo fyzikálními mechanismy lze vysvětlit skutečnost, že tepelně zpracované vzorky vykazovaly o 11 % vyšší celkovou řeznou sílu než vzorky v základním stavu, přestože rozpouštěcí žíhání obvykle vede k uvolnění vnitřního napětí a homogenizaci struktury?
  3. Jak lze z technicko-ekonomického hlediska posoudit přínos zavedení energeticky i časově náročného rozpouštěcího žíhání aditivně vyrobeného polotovaru, vezme-li se v úvahu zaznamenané zvýšení řezných sil a pouze 4 % zlepšení parametru drsnosti povrchu Rz?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová