Výzkum a vývoj AM na VUT FSI Brno

Transkript

1 Výzkum a vývoj AM na VUT FSI Brno Radek Vrána Ústav konstruování Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně NETME Centre KAV, VUT FSI,

2 Obsah FSI VUT v Brně Činnost skupiny aditivních technologií Vývoj parametrů pro zpracování materiálů Na čem pracujeme Případová studie Speciální komponenty 2/32

3 FSI VUT v Brně NETME Centre Fakulta strojního inženýrství Vysoké učení technické v Brně Technická 2896/ Brno Czech Republic Výzkumná skupina aditivních technologií Akademičtí pracovníci: 3 PhD studenti: 6 Spolupracující instituce: 4 Hlavní partner: Ústav materiálových věd a inženýrství 3/32

4 FSI VUT v Brně Quality control Robotic machining Rapid prototyping in prosthetics 3D optical digitalization Additive manufacturing of metal parts Mechanical and industrial design 4/32

5 Zkušenosti s 3D tiskem kovů 5 let zkušeností v 3D tiskem kovů Vyrobeno více jak 220 průmyslových dílů Více jak 1500 testovacích vzorků Kooperace s více jak 15 průmyslovými podniky 4 výzkumné projekty v oblasti 3D tisku TAČR, MPO, GAČR, ESA Předmět v magisterském programu Klastr aditivní výroby Aditivní technologie ve FabLabu 5/32

6 Výrobní zařízení SLM Solutions (Germany) 400W laser Otevřený systém Materiály: AlSi10Mg, AlSi12 AlSi9Cu, AlSi7Mg CuNiCr Scalmalloy TiAl6V Pure Fe, 316L Maraging steel 6/32

7 Materiály Scalmalloy Hustota 2,67g/cm 3 Korozní odolnost Strukturní stálost až do 250 C Scalmalloy TiAl6V4 Stress [MPa] Tažnost A [%] AlSi12CuNi 7075 AlSi10Mg AlSi9Cu3 Bionický rám elektro motocyklu vytištěný ze Scalmalloy Strain [%] 2 0 AlSi7Mg Smluvní mez kluzu Rp 0,2 [MPa] Srovnání zpracovaných slitin hliníku technologií SLM citim.de; apworks.de 7/32

8 Materiály AlSi9Cu3 vliv distribuce velikosti částic Analýza rozdílných dodavatelů prášků Rozdílná porozita a mechanické vlastnosti SLM LPW The structure of LPW cube R m = 455 MPa R e0.5 = 228 MPa The structure of SLM cube R m = 489 MPa R e0.5 = 256 MPa 8/32

9 Materiály CuNiCr 90%Cu Přenos tepla Nízká porozita Dobré mechanické vlastnosti po tisku R e = 380MPa Souč. tepelné vodivosti λ ref =156W/mK Titan Ti6Al4V Argon Vojenský a zbrojařský průmysl Komponenty pro ruční zbraně Bioaplikace 9/32

10 Na čem pracujeme Čisté Fe 99,9% Atomizace vodou (Rio Tinto, QMP) Nízká porozita Dobré mechanické vlastnosti po tisku Relativně vysoká skenovací rychlost R e = 415MPa 10/32

11 Na čem pracujeme Čisté Fe 99,9% Magneto-reologické aplikace Magnetická indukce Transientní magnetická indukce Remanence 11/32

12 Na čem pracujeme Multimateriály Čisté Fe a Cu-slitina Nové fyzikální vlastnosti Vedení tepla Vnitřní tlumení Slitiny Mg Bioaplikace Automobilový průmysl Letecký průmysl 12/32

13 Materiály Nevhodné pro SLM 2618 slitina AlCu(2.7%) R e až 370MPa referenční materiál Solidifikační trhliny Různé strategie tisku Nevhodné pro SLM 6061 slitina AlMg(1.2%)Si(0.8%) Referenční materiál Re až 455MPa SLM materiál - trhliny Nevhodné pro SLM řada 7000 slitina AlZn(6%) Referenčmí materiál R e až 462 MPa SLM materiál - trhliny Nevhodné pro SLM 269 objemových vzorků bez výsledku Lomové plochy a) tvářený materiál b) SLM materiál 13/32

14 Materiály Nevhodné pro SLM 2618 slitina AlCu(2.7%) Referenčmí materiál R e až 370 MPa Solidifikační trhliny Různé strategie tisku Nevhodné pro SLM 6061 slitina AlMg(1.2%)Si(0.8%) Referenčmí materiál R e až 455 MPa SLM materiál - trhliny Nevhodné pro SLM řada 7000 slitina AlZn(6%) Referenčmí materiál R e až 462 MPa SLM materiál - trhliny Nevhodné pro SLM 269 objemových vzorků bez výsledku 14/32

15 Optimalizace těhlice Formule Student pro výrobu SLM technologií 15/32

16 Případová studie Těhlice pro TU Brno Racing 16/32

17 Motivace - Těhlice pro TU Brno Racing Využití topologické optimalizace v AM Ověření možností výroby pomocí SLM na komplexní součásti Zlepšení ovladatelnosti formule Inspirace v aplikacích pro vesmír 17/32

18 Výchozí stav Frézovaná těhlice Stanovení kontrolních zátěžných stavů Ověřená koncepce na monopostech Dragon 1-6 FF Lt FEJFAR, M. Konstrukce zavěšení předního kola závodního vozidla, FF Bf GG FF Brr FF Gf FF Gr 18/32

19 Výchozí stav Frézovaná těhlice Stanovení kontrolních zátěžných stavů Ověřená koncepce na monopostech Dragon 1-6 FF Cf FEJFAR, M. Konstrukce zavěšení předního kola závodního vozidla, FF Gf GG FF Gr FF Crr 19/32

20 Odladění metodiky Návrh zkušebního dílu pro Dragon 5 2 verze, (2 iterace, 5 iterací) 3 měsíce Návrh dílu pro Dragon 7 3 verze (2 iterace, 3 iterace, 3 iterace) 1,5 měsíce Návrh finálního dílu 5 iterací 1,5 týdne Doladění finálního dílu do stavu vhodného pro výrobu 2 týdny 20/32

21 Výroba těhlice SLM proces Délka stavby: 16 h Výška vrstvy: 50 µm Strategie: Chessboard Objem dílu: 208,860 cm3 Objem podpor: 93,810 cm3 Celková výška stavby: 80,2 mm 21/32

22 Výroba těhlice post-procesing, inspekce 22/32

23 Porovnání frézované a optimalizované těhlice Materiál: EN AW 7075 T6 (R p0,2 = 500 MPa) Hmotnost: 485 g Maximální deformace: 0,5 mm 7 let ladění postupu navrhování Materiál SLM: AlSi10Mg (R p0,2 = 240 MPa) Hmotnost: 485 g Maximální deformace: 0,6 mm Prototyp 23/32

24 ESA konference TEDx Tommaso Ghidini, Ph. D. Head of the Structures, Mechanisms and Materials Division at the European Space Agency (ESA) 24/32

25 Satelite Bracket Optimalizace strukturovaného mat. Manufacturing of bracket Navrženo v r Vnitřní prutová konstrukce Materiál AlSi10Mg Výrobní čas 57h Počet vrstev 5322 Tloušťka vrstvy 0.05 mm Výška mm Hmotnost držáku 377,2 g 25/32

26 Satelite Bracket Hybrid Design se strukturovaným mat. Manufacturing of bracket Navrženo v r Vnitřní prutová konstrukce Materiál AlSi10Mg Výrobní čas 20h Počet vrstev 5242 Tloušťka vrstvy 0.05 mm Výška mm Hmotnost držáku g Minimum podpůrného materiálu 26/32

27 Závěs (Zodiac) Závěs kuchyňky pro připojení k letadlu CAD - CATIA V5 optimalizace MSC.Nastran Usable space 27/32

28 Hinge (Zodiac) Kitchen hinge for connection to the primary Material AlSi10Mg Mnf. time 20 hours Layer thickness 0.05 mm Weight of hinge 629g 28/32

29 Kurz 3D tisku kovových materiálů Magisterský studijní program Výuka SLM Topologická optimalizace Semestrální projekt Destruktivní testování Optická digitalizace m [g] m r [g] Predikce [N] Real Zatížení [N] Pořadí [-] Max. Stress [MPa] 1 9,6 9, ,9 11, ,15 6, ,8 6, , /32

30 StrojLAB - 1. univerzitní fablab v ČR StrojLAB FabLab = Fabrication Laboratory nástroje pro digitální výrobu prostor pro kreativní tvůrčí činnost podpora projektové výuky Ne-frontální způsob výuky první univerzitní FabLab v ČR 30/32

31 Main partners additive manufacturing only 31/32

32 Publications 1. DAVID PALOUSEK, LIBOR PANTELEJEV, TOMAS ZIKMUND, DANIEL KOUTNY. Processing of nearly pure iron using 400w selective laser melting initial study. MM Science Journal, 2017, vol. 2017, no. 1, p ISSN: ZATOČILOVÁ, A.; ZIKMUND, T.; KAISER, J.; PALOUŠEK, D.; KOUTNÝ, D. Measurement of the porosity of additive-manufactured Al-Cu alloy using x- ray computed tomography. Solid State Phenomena, 2016, vol. 258, no. December 2016, p ISSN: VRÁNA, R.; KOUTNÝ, D.; PALOUŠEK, D. Impact Resistance of Different Types of Lattice Structures manufactured by SLM. MM Science Journal, 2016, vol. 2016, no. 6, p ISSN: KOUTNÝ, D.; PANTĚLEJEV, L.; TOMEŠ, J.; PALOUŠEK, D. COMPARISON OF SELECTIVE LASER MELTING OF 18NI MARAGING STEEL BY PXL AND M2 CUSING. MM Science Journal, 2016, vol. 2016, no. 6, p ISSN: Vrána, R.; Koutný, D.; Paloušek, D.; Zikmund, T. Impact Resistance of Lattice Structure made by Selective Laser Melting from AlSi12 alloy. MM Science Journal Tesařová, M., Zikmund, T., Kaucká, M., Adameyko, I., Jaroš, J., Paloušek, D., Škaroupka, D. and J. Kaiser. Use of micro computed-tomography and 3D printing for reverse engineering of mouse embryo nasal capsule. Journal of Instrumentation, 2016, 11(03), C Palousek, D., Omasta, M., Koutny, D., Bednar, J., Koutecky, T. and Dokoupil, F. (2015) 'Effect of matte coating on 3D optical measurement accuracy', Optical Materials, 40(0), Palousek, D., Rosicky, J. and Koutny, D. (2014a). Use of digital technologies for nasal prosthesis manufacturing, Prosthetics and Orthotics International, 38(2), VLAŠIC, F.; KRATOCHVÍLOVÁ, V.; MAZAL, P.; PALOUŠEK, D.; KOUTNÝ, D. Fatigue Damage of Aluminium Alloy EN AW 2618A Produced by SLM Technology. In World PM2016 Proceedings European Powder Metallurgy Associtation, p ISBN: VRÁNA, R.; KOUTNÝ, D.; PALOUŠEK, D.; ZIKMUND, T. Influence of Selective Laser Melting Process Parameters on Impact Resistance of Lattice Structure made from AlSi10Mg. In World PM2016 Proceedings. Hamburg, Germany: p ISBN: Koukal, O.; Koutný, D.; Paloušek, D.; Vrána, R.; Zikmund, T.; Pantělejev, L. Research about the Influence of Process Parameters of Selective Laser Melting on Material EN AW In Euro PM2015 Proceedings. Reims, France p ISBN Vrána, R.; Paloušek, D.; Koutný, D.; Koukal, O.; Zikmund, T.; Krejčí, P. Impact resistance of lattice structure made by Selective Laser Melting technology. In Euro PM2015 Proceedings. Reims, France p ISBN D. Koutny, D. Palousek, O. Koukal, et al., Processing of High Strength Al-Cu alloy Using 400W Selective Laser Melting Initial Study, in Lasers Manuf. Conf. 2015, (Munchen, Germany, 2015) 32/32

33 Děkuji Vám za pozornost Radek Vrána, David Paloušek