Advances in Manufacturing for Aerospace Alloys
- 2024
- Buch
- Herausgegeben von
- Selim Gürgen
- Buchreihe
- Sustainable Aviation
- Verlag
- Springer Nature Switzerland
Über dieses Buch
Advances in Manufacturing for Aerospace Alloys konzentriert sich auf fortschrittliche Fertigungsverfahren und Prozesse im Zusammenhang mit Luft- und Raumfahrtlegierungen. Untersucht werden traditionelle Fertigungsmethoden - die häufig nicht ausreichen, um Legierungen für die Luft- und Raumfahrt zu formen - und die Anwendung unkonventioneller Fertigungstechniken für diese Materialien, wie additive Fertigung, Laserschweißen, elektrische Entladungsbearbeitung und vibrationsunterstützte Bearbeitung. Die Kombination von theoretischen Aspekten mit praktischen Anwendungen macht dieses Buch zu einer kritischen Referenz auf dem neuesten Stand der Technik und zu einem Lehrmittel für praktizierende Forscher und Ingenieure. Es bietet einfache Beschreibungen von Fertigungsprozessen gepaart mit Beispielen aus der Industrie und Fallstudien.
Mit KI übersetzt
Über dieses Buch
Advances in Manufacturing for Aerospace Alloys focuses on advanced manufacturing operations and processes related to aerospace alloys. It examines traditional manufacturing methods – often insufficient for shaping aerospace alloys – and the adoption of nonconventional manufacturing techniques for these materials, such as additive manufacturing, laser welding, electrical discharge machining, and vibration assisted machining. The combination of theoretical aspects with practical applications makes this book a critical reference on state-of-the-art techniques and an instructional resource for practicing researchers and engineers, offering straightforward descriptions of manufacturing processes coupled with industry examples and case studies.
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Inhaltsverzeichnis
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Frontmatter
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Chapter 1. Turning Operations of Aerospace Alloys
Jalal Joudaki, Mehdi Safari, Ricardo Alves de SousaDas Kapitel "Turning Operations of Aerospace Alloys" untersucht den traditionellen Drehprozess bei der Herstellung zylindrischer Teile, wobei der Schwerpunkt auf der Luftfahrtindustrie liegt. Es werden die primären Prozessparameter wie Drehzahl, Schnitttiefe und Vorschub sowie deren Auswirkungen auf Werkzeugverschleiß, Oberflächenrauheit und induzierte Restspannungen diskutiert. Der Text hebt die vielfältigen Materialien hervor, die in der Luft- und Raumfahrt verwendet werden, darunter Aluminium-, Titan- und Nickelbasislegierungen, sowie die Notwendigkeit, Drehvorgänge auf Grundlage ihrer mechanischen und thermischen Eigenschaften maßzuschneidern. Darüber hinaus vertieft sie die Herausforderungen und Lösungen im Zusammenhang mit dem Schneiden von Flüssigkeiten, wobei der Schwerpunkt auf umweltfreundlichen Methoden wie Trockendrehen und Minimalmengenschmierung (MMS) liegt. In diesem Kapitel werden auch experimentelle Erkenntnisse und fortgeschrittene Techniken wie das ultraschallgestützte Drehen und der Einsatz von Nanofluiden vorgestellt, um die Bearbeitungseffizienz und die Teilequalität zu verbessern. Die umfassende Analyse der Drehvorgänge in der Luft- und Raumfahrt macht dieses Kapitel zu einer wertvollen Ressource für Fachleute, die Fertigungsprozesse in diesem speziellen Bereich optimieren wollen.KI-Generiert
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AbstractThe turning operation is one of the oldest conventional processes utilized for manufacturing parts in the aerospace industry. This process configuration is ideal for producing symmetrical parts used in various rotating machines and engines within the aerospace sector. Materials commonly employed in aerospace applications typically possess high strength-to-weight ratios. Certain mechanical properties, such as fatigue life, are dependent on the surface quality achieved during the manufacturing process. Surface roughness and microstructure are influenced by the heat generated due to cutting forces and the cooling rate of the coolant/lubrication system. Selecting process parameters is a crucial and multiobjective optimization decision, where factors such as tool cost, machining time, and surface quality determine the target outcome. Numerous research studies have been conducted on the turning operation, each contributing to a better understanding of its mechanics. Among the different materials used in aerospace, aluminum and titanium alloys are the most common and appropriate due to their high strength-to-weight ratios. This chapter aims to provide a comprehensive overview of process parameter selection for these alloys and the main challenges associated with variable selection. A discussion on the formation of built-up layer (BUL) and built-up edge (BUE) in soft materials is included. In addition, the importance of utilizing proper cooling systems, such as minimum quantity lubrication and high-pressure cooling systems, is emphasized. -
Chapter 2. High-Speed Machining for Aerospace Materials
Nikita Shubin, Muhammad P. JahanHigh-Speed Machining for Aerospace Materials vertieft die entscheidende Rolle von HSM in der Luft- und Raumfahrtindustrie und konzentriert sich dabei auf Legierungen auf Aluminiumbasis, Legierungen auf Titanbasis und Nickelbasis-Legierungen. Das Kapitel behandelt die Vorteile von HSM, wie höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten, bessere Oberflächengüte und geringerer Werkzeugverschleiß. Außerdem werden die Herausforderungen untersucht, die von diesen Materialien ausgehen, darunter Wärmeerzeugung und Werkzeugverschleiß, und die jüngsten Fortschritte bei Kühlmethoden, Werkzeugbeschichtungen und Bearbeitungstechniken hervorgehoben. Das Kapitel behandelt außerdem die Anwendung von HSM bei Fräs-, Dreh-, Bohr- und Schleifprozessen und diskutiert den Einfluss dieser Techniken auf die mechanischen Eigenschaften und die Oberflächenintegrität der bearbeiteten Teile. Darüber hinaus geht es um die Integration von HSM mit additiver Fertigung und das Potenzial künstlicher Intelligenz zur Optimierung von Bearbeitungsprozessen. Dieses Kapitel ist von entscheidender Bedeutung für Fachleute, die die neuesten Entwicklungen und Best Practices im Bereich HSM für Luft- und Raumfahrtmaterialien verstehen wollen.KI-Generiert
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AbstractHigh-speed machining (HSM) is a common technique used in the aerospace industry to improve efficiency, achieve high precision, and provide an ability to handle challenging materials effectively. In simple words, it is characterized by high machining speeds and significant performance improvements. Some of the most widespread aerospace alloys such as AA7050, AA7075, Ti-6Al-4V, and Inconel 718 are machined using HSM. However, despite its benefits, there are still various challenges associated with the increased performance. Such challenges include reducing tool wear, managing machining temperatures, enhancing surface quality, improving the predictions of the machining behavior, optimizing the machining parameters, and increasing sustainability. Recent research in aluminum alloys has primarily focused on parameter optimization, improving numerical simulations, advances in cooling methods, and process predictions. In the recent studies involving difficult-to-cut alloys Ti-6Al-4V and Inconel 718, the focus was more on tool wear, cooling methods, choice of tools and coatings, machining mechanisms and their predictions, and the application of new techniques such as vibration and hybrid machining. This chapter provides an overview of HSM technology and the aforementioned recent developments in its utilization in the aerospace industry. -
Chapter 3. Ultrasonic Vibration-Assisted Machining with Minimum Quantity Lubrication for Aerospace Materials
Erkin Duman, Yusuf Furkan Yapan, Alper Uysal, Mehmet Alper SofuoğluDieses Kapitel befasst sich mit der innovativen Bearbeitungstechnik der Ultraschall-Vibrationsunterstützten Zerspanung mit Minimalmengenschmierung (UVA & MMS) für Luftfahrtmaterialien. Er diskutiert die wachsende Nachfrage nach effizienten Fertigungsstrategien in der Luft- und Raumfahrtindustrie aufgrund der erhöhten Flugzeugproduktion. In diesem Kapitel werden die Vorteile von UVA & MMS bei der Reduzierung von Schnittkräften, der Verbesserung der Oberflächenqualität und der Verbesserung der Standzeit von Werkzeugen untersucht. Sie unterstreicht auch die positiven Auswirkungen dieser Methode auf die Chip-Morphologie und den Werkzeugverschleiß und macht sie zu einer wertvollen Ressource für Luft- und Raumfahrtingenieure und Werkstoffwissenschaftler, die Bearbeitungsprozesse optimieren wollen.KI-Generiert
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AbstractThis chapter offers an insightful examination of the advancements in machining aerospace materials, focusing on ultrasonic vibration-assisted (UVA) machining and minimum quantity lubrication (MQL) techniques. It begins with an introduction to the unique challenges associated with machining these advanced materials and how UVA machining and MQL have emerged as innovative solutions to address these challenges. The chapter then systematically explores the effects of these techniques on various aspects of the machining process. It discusses how UVA machining and MQL influence cutting forces, leading to potential reductions in tool wear and energy consumption. The impact on surface quality is also examined, highlighting improvements in terms of both physical appearance and structural integrity. The chapter further discusses the changes in chip morphologies that result from employing UVA machining and MQL, which are crucial for understanding the material removal mechanisms and overall machining efficiency. Finally, it addresses the implications of these techniques on tool wear, emphasizing their potential to extend tool life and maintain machining accuracy. This chapter not only synthesizes current research but also provides practical insights for industry professionals seeking to optimize machining processes for aerospace materials. -
Chapter 4. Smart Electrical Discharge Machining of Aerospace Alloys
Namadi Vinod Kumar, P. M. Abhilash, D. ChakradharIn diesem Kapitel wird das transformative Potenzial der Integration künstlicher Intelligenz (KI) mit der elektrischen Entladungsbearbeitung (EDM) für die Präzisionsbearbeitung von Luft- und Raumfahrtlegierungen untersucht. Darin werden die Herausforderungen und Chancen bei der Herstellung komplexer Luftfahrtkomponenten wie Turbinenschaufeln und Flugzeugtriebwerksteile unter Einsatz von EDM diskutiert. In diesem Kapitel wird die Bedeutung der Präzisionsbearbeitung in der Luft- und Raumfahrttechnik erläutert, wo Bauteile extremen Temperaturen und Belastungen ausgesetzt sind. Es führt das Konzept des intelligenten Erodierens ein, das KI-Techniken wie maschinelles Lernen und adaptive Steuerung nutzt, um Bearbeitungsprozesse zu optimieren und die Präzision zu erhöhen. Das Kapitel bietet außerdem Fallstudien und Beispiele für KI-Anwendungen im Bereich Erodieren, die die signifikanten Verbesserungen bei der Abtragseffizienz, Oberflächenrauheit und der Bearbeitungsqualität insgesamt aufzeigen. Darüber hinaus wird die Rolle von Sensoren und Datenerfassungssystemen bei der Echtzeit-Überwachung und Optimierung des EDM-Prozesses untersucht. Die Integration von KI mit EDM wird als entscheidender Fortschritt im Bereich der Luft- und Raumfahrtindustrie dargestellt und verspricht, die Landschaft der Feinmechanik neu zu definieren.KI-Generiert
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AbstractSmart electrical discharge machining (EDM), the integration of artificial intelligence (AI) into EDM in aerospace engineering, signifies a transformative leap that offers unprecedented precision, efficiency, and adaptability. This integration involves learning algorithms, real-time decision-making, predictive insights, and adaptive optimization and fostering enhanced precision, efficiency overhaul, cost reduction, and versatility in complexity. Notable studies showcase the evolution of AI-driven smart EDM, utilizing techniques such as artificial neural networks (ANN), adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS), convolutional neural networks (CNN), deep neural networks (DNN), and support vector regression (SVR), for optimizing critical parameters in aerospace alloy machining. A comprehensive case study on smart wire EDM workpiece height estimation highlights the experimental validation of AI integration, employing CNN for accurate predictions. Results indicate an overall accuracy of 86% in estimating workpiece height across different classes. Future prospects include exploring alternative sensors, real-time monitoring, and multisensor fusion, promising to elevate precision manufacturing in aerospace engineering. In conclusion, smart EDM, with the integration of AI, represents technological convergence and charts a transformative journey that reshapes the landscape of aerospace alloy machining with adaptability and flexibility. -
Chapter 5. Nanoparticle Reinforcement in Friction Stir Welding of Dissimilar Aerospace Alloys
Amin Abdollahzadeh, Behrouz Bagheri VananiDas Kapitel befasst sich mit der Anwendung von Nanopartikelverstärkungen beim Reibrührschweißen (FSW) unterschiedlicher Luft- und Raumfahrtlegierungen, insbesondere Magnesium und Aluminium. Es beleuchtet die Herausforderungen des traditionellen Schmelzschweißens und die Vorteile von FSW beim Verbinden dieser Werkstoffe. Die Studie konzentriert sich auf den Einsatz von Titancarbid (TiC) -Nanopartikeln, um die mikrostrukturelle Evolution und die mechanischen Eigenschaften der Schweißnähte zu verbessern. Die Forschung zeigt, dass die Zugabe von TiC-Nanopartikeln die Schweißqualität deutlich verbessert, Defekte reduziert und die Zugfestigkeit und Härte der Schweißverbindungen erhöht. Das Kapitel behandelt auch den Einfluss von Nanopartikeln auf die Bildung intermetallischer Verbindungen und die daraus resultierenden mikrostrukturellen Veränderungen. Durch detaillierte metallographische Beobachtungen und mechanische Tests liefert die Studie wertvolle Einblicke in die Optimierung der FSW-Parameter und das Potenzial der Verstärkung von Nanopartikeln bei der Erzielung überlegener Schweißleistungen.KI-Generiert
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AbstractIn this study, dissimilar sheets, magnesium alloy AZ91 and aluminum alloy AA6061, were welded using friction stir welding (FSW) with the incorporation of titanium carbide (TiC) reinforcing powders into the weld joints. A novel groove design was presented to restrict nanoparticle segregation during the welding process. Microstructure examination and phase constitution of the interfacial zones showed that the base materials reaction was successfully obtained in the presence of the TiC reinforcing particles. Changes in heat input and stir action had the most significant effect on microstructure evolution, the distribution of nanoparticles, and intermetallic compound formation. Microstructure refinement, the presence of thin intermetallic compounds (IMCs), and homogenous nanoparticle distribution in the stir zone (SZ) were identified as the fundamental factors for the increased mechanical properties of the weld specimens, namely strength, toughness, and hardness profile. -
Chapter 6. Post-weld Heat Treatment and Nitrogen Application in Welding of Super Duplex Stainless Steels
Mahmoud Abbasi, Ali Tahaei, Behrouz Bagheri VananiDas Kapitel vertieft sich in die Komplexität des Schweißens von Superduplex-Edelstählen (SDSS), wobei das kritische Gleichgewicht zwischen Austenit- und Ferritphasen hervorgehoben wird. Es untersucht die Auswirkungen der Stickstoffanwendung während des Gaswolframlichtbogenschweißens (GTAW) und der Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften von S32750-Verbindungen. Die Studie zeigt, dass Stickstoffanreicherung und optimierte Wärmebehandlung die mechanische Leistung und Korrosionsbeständigkeit von geschweißten SDSS-Bauteilen deutlich verbessern können. Die Forschung unterstreicht auch die Bedeutung des Verständnisses des Zusammenspiels zwischen Schweißparametern, Zusatzwerkstoffen und Sekundärbehandlungen, um optimale Schweißeigenschaften zu erreichen. Dieses Kapitel bietet wertvolle Erkenntnisse für Fachleute, die Schweißprozesse von SDSS-Legierungen in verschiedenen industriellen Anwendungen optimieren wollen.KI-Generiert
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AbstractIn this study, the microstructure and mechanical characteristics of a super duplex stainless steel (SDSS), S32750 welded by gas tungsten arc welding (GTAW) after post-weld heat treatment (PWHT), were investigated. Microstructure observations after PWHT indicated an increase in the size of austenite laths and globularity due to solution annealing at a high temperature and complete austenite with a few small ferrite islands in the fusion zone (FZ) due to the presence of nitrogen as a strong austenite stabilizer. The phase percentage obtained based on ASTM E562 indicated an almost equivalent ratio for austenite and ferrite after using nitrogen as the shielding gas and PWHT. No evidence of undesired intermetallic phases such as σ, χ, and nitride was detected based on X-ray diffraction (XRD) analysis. According to mechanical characteristics, tensile strength increases after the usage of nitrogen gas, while the elongation of samples increases after PWHT. -
Chapter 7. Laser Welding of Lightweight Aerospace Alloys
Esad Kaya, Koray KılıçayDas Kapitel vertieft die Grundlagen des Laserschweißens und konzentriert sich auf seine Anwendung auf leichte Luft- und Raumfahrtlegierungen. Es beginnt mit einer Einführung in die Lasertechnologie, in der die physikalischen Prinzipien hinter der Laseremission und ihre einzigartigen Eigenschaften wie hohe Leistungsdichte und hervorragende Monochromatizität erläutert werden. Anschließend werden die verschiedenen Arten von Lasern untersucht, die in industriellen Anwendungen zum Einsatz kommen, darunter CO2, Nd: YAG, Dioden-, Faser- und Scheibenlaser mit jeweils einzigartigen Eigenschaften und Vorteilen. Der Schwerpunkt liegt auf dem Laserschweißen, das aufgrund seiner hohen Präzision und Effizienz in der Luft- und Raumfahrtindustrie weit verbreitet ist. In diesem Kapitel werden die verschiedenen Methoden des Laserschweißens, wie Leitungs- und Schlüssellochschweißen, und ihre Anwendung in Materialien wie Titan und Aluminiumlegierungen diskutiert. Sie beleuchtet auch die Herausforderungen und Defekte des Laserschweißens, wie Porosität und unvollständige Penetration, und bietet Einblicke in die Optimierung der Schweißparameter, um qualitativ hochwertige Schweißnähte zu erzielen. Darüber hinaus behandelt das Kapitel das Schweißen unterschiedlicher Materialien wie Titan und Aluminium und die Strategien zur Minimierung der intermetallischen Bildung. Im Verlauf des Kapitels betont der Autor die Bedeutung des Verständnisses der Materialeigenschaften und der Laser-Werkstoff-Wechselwirkung, um erfolgreiche Schweißungen zu erzielen. Das Kapitel schließt mit einer Zusammenfassung der Vorteile des Laserschweißens in der Luft- und Raumfahrtindustrie und der zukünftigen Ausrichtung von Forschung und Entwicklung in diesem Bereich.KI-Generiert
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AbstractThis chapter provides an overview of laser welding of lightweight aerospace alloys. First, the types, functions, and principles of laser welding are discussed. Moreover, the key benefits and drawbacks of laser welding techniques compared with conventional welding techniques are thoroughly discussed. Then, lightweight alloys, aluminum and titanium alloys, in laser welding are investigated. In addition to discussing joints of similar materials, this chapter also investigates laser welding joints involving dissimilar materials. The microstructural and mechanical characteristics of laser-welded lightweight alloys used in the aerospace sector are highlighted. -
Chapter 8. Direct Metal Laser Sintering of Aeroengine Materials
Abdul Hasib Hasan Zayed, Mostofa Jawad Itmum, Niaz Mohammad Zahin, Mahatab Bin Rashid, Md Enamul HoqueDirektes Metall-Laser-Sintern (DMLS) ist eine revolutionäre additive Fertigungstechnik, die in der Luft- und Raumfahrtindustrie zur Herstellung komplexer Flugzeugkomponenten eingesetzt wird. In diesem Kapitel werden die Vorteile von DMLS gegenüber herkömmlichen Methoden wie Zerspanung und Guss untersucht, einschließlich höherer Präzision, operativer Flexibilität und geringerer Materialverschwendung. Außerdem werden die Verarbeitungsparameter und Wärmebehandlungen diskutiert, die erforderlich sind, um die mechanischen Eigenschaften von Materialien wie Inconel 718 und Ti-6Al-4V zu verbessern. Das Kapitel untersucht die Herausforderungen und das zukünftige Potenzial von DMLS in der Luft- und Raumfahrt, einschließlich der Notwendigkeit der Zertifizierung und der Entwicklung neuer Werkstoffdatenbanken. Indem dieses Kapitel einen detaillierten Blick auf die mikrostrukturellen und mechanischen Eigenschaften von DMLS-verarbeiteten Materialien bietet, liefert es wertvolle Erkenntnisse für Fachleute, die diese Technologie im Luft- und Raumfahrtsektor nutzen möchten.KI-Generiert
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AbstractDirect metal laser sintering (DMLS) is a rapid manufacturing technique that has gained a significant attention in recent years due to its ability to produce complex metal parts directly from three-dimensional (3D) digital models. In the field of aeroengine manufacturing, DMLS has the potential to revolutionize traditional manufacturing methods by enabling the production of lightweight, high-strength components with improved performance and reduced production costs. This study provides an in-depth overview of the DMLS process and its applications in aeroengine manufacturing, including the materials considerations required for successful part production. The chapter also highlights the latest advances in DMLS technology and discusses the challenges and opportunities associated with its widespread adoption in the aerospace industry. Overall, this study serves as a comprehensive resource for engineers and researchers interested in DMLS process for aeroengine components. -
Backmatter
- Titel
- Advances in Manufacturing for Aerospace Alloys
- Herausgegeben von
-
Selim Gürgen
- Copyright-Jahr
- 2024
- Verlag
- Springer Nature Switzerland
- Electronic ISBN
- 978-3-031-64455-9
- Print ISBN
- 978-3-031-64454-2
- DOI
- https://doi.org/10.1007/978-3-031-64455-9
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