Master's Thesis

Mechanical properties of additivelly manufactured multi-material interfaces

Final Thesis 5.69 MB Appendix 10.85 MB

Author of thesis: Ing. Jan Okénka

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Daniel Koutný, Ph.D.

Reviewer: Ing. Kateřina Dočekalová, Ph.D.

Abstract:

This diploma thesis deals with the determination of suitable process parameters and mechanical properties of a horizontal multimaterial interface fabricated in an overhang region. The investigated materials were the CuCr1Zr copper alloy and AISI 13Ni400 tool steel. The process parameters were optimized for sample inclination angles from 30° to 50° relative to the build platform and for both possible material configurations. Within the tested range of process parameters, the tool steel was successfully fabricated with very high relative density. In contrast, the copper alloy showed a strong dependence on the applied process parameters and sample geometry. When printing the copper alloy on the tool steel, the energy input had to be reduced with decreasing sample inclination angle, by up to 25,2–35,5% for the 30° angle. In the opposite material configuration, this strategy proved unsuitable, as lack-of-fusion defects occurred despite the more limited heat dissipation. Mechanical properties were tested for inclination angles of 30°, 45° and 60°. For the copper alloy on tool steel configuration, higher strength values were achieved at lower angles and when using optimized process parameters, specifically Rm =388 ± 86 MPa for 30° and Rm = 378 ± 75 MPa for 45°. In contrast, specimens produced with the default parameters reached Rm = 298 ± 15 MPa for 45° and Rm = 263 ± 10 MPa for 60°. For the opposite configuration, the strength values were lower and less dependent on the inclination angle, specifically Rm = 228,4 ± 0,2 MPa for 30°, 235,1 ± 1,7 MPa for 45° and 236,4 ± 2,2 MPa for 60°. The obtained findings can be used in the design of spatially shaped multimaterial components manufactured by LPBF.

Keywords:

Laser powder bed fusion, multimaterial interface, CuCr1Zr, Maraging steel 60, overhang, mechanical properties

Date of defence

15.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaCznamka

Grading

C

Process of defence

Student prezentoval výsledky své diplomové práce a zodpověděl otázky oponenta: dr. Dočekalová: V kapitole 2.4 popisujete strategie spojování materiálů, volíte gradientní spojení (tj. kompatibilitu materiálů) a následně v kapitole 2.5.1 uvádíte fázový diagram Fe-Cu, který znázorňuje velmi omezenou rozpustnost. Nezvažoval jste použití spojení mezivrstvou a bylo by to pomocí LPBF realizovatelné? ZODPOVĚZENO dr. Dočekalová: V kapitole o použitých procesních parametrů, byla zvolena taková kombinace parametrů (laserového výkonu a skenovací rychlosti), aby bylo dosaženo snížení objemové hustoty energie až o 46% u měděné slitiny až o 27% u oceli. Proč byla zvolena právě tato procenta snížení VED? ZODPOVĚZENO dr. Dočekalová: Jaké rozhraní (s jakým úhlem sklonu) a procesní parametry byste doporučil pro tisk reálné komponenty a jaké pevnosti by mělo být dosaženo? ZODPOVĚZENO doc. Maňas: Dal by se vyvodit obecný závěr, aby materiál s vyšší tepelnou vodivostí byl na vrchní vrstvě, kde vstupuje energie? ZODPOVĚZENO doc. Maňas: Mohl by tento jev být využit i pro jinou dvojici materiálů? ZODPOVĚZENO doc. Maňas: Jaký je rozdíl mezi kombinací ocelí/hliníkem a ocelí/mědí? ZODPOVĚZENO doc. Němeček: Na základě čeho jste volil kombinaci materiálů? ZODPOVĚZENO doc. Němeček: Proč volit tepelné zpracování pro měď? ZODPOVĚZENO doc. Mazůrek: Jaký má smysl řešit, jestli měděná vrstva má být nahoře, když reálná součástka to tak mít nemusí? ZODPOVĚZENO doc. Mazůrek: Proč je důležitá pevnost přechodu? ZODPOVĚZENO

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Machine and Industrial Design

Study programme

Mechanical Engineering Design (N-KSI-P)

Composition of Committee

prof. Ing. Martin Hartl, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Daniel Koutný, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Ivan Mazůrek, CSc. (člen)
doc. Ing. Pavel Maňas, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Stanislav Němeček, PhD. (člen)
Ing. Kateřina Dočekalová, Ph.D. (člen)
Ing. Petr Čížek, Ph.D. (člen)
Ing. Jaroslav Baron (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Daniel Koutný, Ph.D.

Cílem práce bylo popsat mechanické vlastnosti aditivně vyráběných multimateriálových rozhraní mezi měděnou slitinou CuCr1Zr a nástrojovou ocelí Maraging steel 60 a současně stanovit vhodné procesní parametry pro jejich výrobu v převisové oblasti. Práce navazuje na aktuální výzkum multimateriálové aditivní výroby metodou LPBF a řeší problematiku, která je důležitá pro budoucí využití funkčně kombinovaných kovových součástí. Pro naplnění cílů musel student realizovat rozsáhlou experimentální činnost zahrnující návrh vzorků, optimalizaci parametrů, metalografické hodnocení i tahové zkoušky.

Studentovi se podařilo prokázat výrazný vliv pořadí materiálů, geometrie rozhraní a energetického vstupu na kvalitu spojení. U konfigurace CuCr1Zr na Maraging steel 60 bylo nutné se snižujícím se úhlem vzorku snižovat dodávanou energii, přičemž optimalizované parametry vedly k lepším mechanickým vlastnostem než výchozí nastavení. Naopak u opačné konfigurace se tato strategie ukázala jako nevhodná, což je důležitý poznatek pro další vývoj prostorově tvarovaných multimateriálových dílů.

Textová část práce je na velmi dobré úrovni. Student dobře popsal současný stav poznání, formuloval výzkumné otázky a dokázal získané výsledky věcně interpretovat. Diskuze by mohla zahrnovat širší zobecnění výsledků a jejich srovnání s další literaturou. Práce obsahuje několik stylistických nepřesností, nicméně tyto nedostatky nesnižují odbornou hodnotu práce.

Výsledky práce jsou využitelné pro další výzkum multimateriálové výroby metodou LPBF a mohou sloužit jako podklad pro návrh prostorově tvarovaných rozhraní v technických aplikacích.  Práce splňuje všechny požadavky závěrečné vysokoškolské práce a doporučuji ji k obhajobě s výsledným hodnocením „B“.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality B
Ability to interpret achieved results and draw conclusions C
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout B
Grafic layout, used style and language level B
Work with used sources including quotations B
Student's independence when working on the topic B

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. Kateřina Dočekalová, Ph.D.

Předložená diplomová práce se zabývá tiskem horizontálního multimateriálového rozhraní (měděné slitiny CuCr1Zr a vysokopevnostní martenzitické oceli AISI 13Ni400) v nakloněné geometrii (typu převisu), optimalizací procesních parametrů a stanovením mechanických vlastností těchto rozhraní v různých kombinacích. První část zpracovává přehled současných řešení tisku ze dvou různých materiálů, následně byla navržena experimentální tělesa, metody testování a vyhodnocení. V další části práce došlo k experimentálnímu stanovení procesních parametrů (pro různé kombinace rozhraní) a následné ověření mechanických vlastností multi-materiálových vzorků pomocí tahové zkoušky. V závěrečné části práce jsou výsledky diskutovány, zhodnoceny a také jsou zde navrženy další experimenty, které by vedly k detailnímu porozumění zkoumaných rozhraní.

Předložená práce přináší pro oblast 3D tisku v oblasti multimateriálu řadu zajímavých výsledků. Jako velice přínosné hodnotím optimalizaci procesních parametrů, analýzu rozhraní v obou variantách (různého pořadí tisku materiálů) a charakterizaci mechanických vlastností multimateriálu. Práce přináší další vědecké otázky, které se týkají fenoménu spojování rozdílných materiálů – otázka lokální úpravy procesních parametrů v několika vrstvách nad rozhraním a možnosti tepelného zpracování na výslednou mikrostrukturu a mechanické vlastnosti, které jsou užitečnými náměty pro budoucí diplomové práce.

Z pohledu formálních požadavků je diplomová práce logicky strukturovaná a v rámci jednotlivých kapitol vystihuje záměr zadání. Dokument obsahuje mimimum typografických chyb. V závěru práce bych ocenila přehlednou tabulku nejvýznamnějších dosažených výsledků (konkrétní typ rozhraní, použité parametry a mechanická charakteristika), která zvýrazňuje konkrétní přidanou hodnotu pro reálné aplikace. Zejména si u předložené studie cením toho, že přinesla nové a unikátní výsledky v oblasti multimateriálového spojení pomocí 3D tisku velmi využitelné i v průmyslové praxi. Přiložený manuskript článku sumarizuje nejdůležitější výsledky výzkumu a bude jistě ceněn v rámci komunity 3D tisku.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality B
Ability to interpret achieved results and draw conclusions B
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
Topics for thesis defence:
  1. V kapitole 2.4 popisujete strategie spojování materiálů, volíte gradientní spojení (tj. kompatibilitu materiálů) a následně v kapitole 2.5.1 uvádíte fázový diagram Fe-Cu, který znázorňuje velmi omezenou rozpustnost. Nezvažoval jste použití spojení mezivrstvou a bylo by to pomocí LPBF realizovatelné?
  2. Jaké rozhraní (s jakým úhlem sklonu) a procesní parametry byste doporučil pro tisk reálné komponenty a jaké pevnosti by mělo být dosaženo?
  3. V kapitole o použitých procesních parametrů, byla zvolena taková kombinace parametrů (laserového výkonu a skenovací rychlosti), aby bylo dosaženo snížení objemové hustoty energie až o 46% u měděné slitiny až o 27% u oceli. Proč byla zvolena právě tato procenta snížení VED?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová