DMLS Direct Metal Laser Sintering

Transkript

1 DMLS Direct Metal Laser Sintering Systémy pro laserové spékání kovových prášků

2 Ekvivalentní označení: SLS = Selective Laser Sintering SLM = Selective Laser Melting Historie: 1989 Carl Deckard Carl Deckard vyvinul první experimentální zařízení pro laserové spékaní kovů na University of Texas v Austinu, patentoval technologii a založil NOVA Automation (pozdější DTM Corporation) 1997 DTM Corporation postupuje patent na SLS německé firmě EOS GmbH výměnou za práva ke stereolitografickému tisku plastových materiálů 2004 EOS přivádí na trh první komerčně dostupné DMLS zařízení M270 s vláknovým laserem 2014 Deckardův patent vypršel

3 Princip DMLS

4 Postup stavby při DMLS 1. Příprava stroje 2. Nanesení 1. vrstvy 3. Laserové spékání 4. Pracovní kontejnment spuštěn o tloušťku jedné vrstvy, zásobní kontejnment se posune nahoru. 5. Nanesení další vrstvy 6. Laserové spékání 7. Opakování kroku 4 až 6 8. Vyjmutí součásti ze zásypu 9. Odsátí nevyužitého prášku z pracovního prostoru stroje do zásobníku

5

6 Příprava stroje před cyklem spékání Příprava základní desky frézování (pokud již byla použita), očištění, otryskání, odmagnetování lepší spojení s prvními vrstvami eliminace nebezpečí odrazu paprsku do optických čoček (degradace) Při práci s reaktivními kovy (hliník, titan) nutno všechno nářadí, štětec, měrky a upínací šrouby umístit do přípravné komory stroje a zaplavit inertním plynem Doplnění prášku ručně z lahve, nebo přepuštěním z kontejneru Kontrola čistoty a demagnetizace zarovnávacího břitu Nastavení počátečního bodu na základové desce Nastavení počáteční vzdálenosti mezi břitem a základní deskou dotlačením břitu (hlavy) na položenou měrku

7 Čištění stroje po cyklu spékání a údržba Vyjmutí dílu ze zásypu prášku buď ruční smetení a odsátí prášku, nebo úplné automatizované odsátí v uzavřené pracovní komoře Úplně vyčistit stroj a vyměnit filtr, pokud chci použít jiný materiál Očistit odlučovač vlhkosti Údržba Přívodní hadice inertního plynu, tlaková zkouška vyprázdnění filtrovací kartridže, jednou ročně výměna každých 2000 operačních hodin by se měl vyčistit povrch čočky a kontrolovat čočku jestli se neodlupuje povrch.

8 Parametry DMLS sinterovacích zařízení stavební prostor [desítky až stovky mm] rozmezí tlouštěk sinterované vrstvy [desítky µm] Typ laseru CO 2 (starší zařízení), vláknové lasery dopované prvkem Ytterbia (současnost) Výkon laseru [desítky W až 2kW] Počet laserů single/dual Max. rychlost pohybu laserového svazku [m/s] Průměr ohniska [desítky až stovky µm] Příkon [kw] Spotřeba inertního plynu Provedení a příslušenství: o Dávkovač prášku, integrovaný vysavač, prosévací zařízení o Provedení komory pro reaktivní materiály, generátory dusíku o tryskací zařízení

9 Concept Laser Mlab cusing R

10

11 Concept Laser X-line 1000R/2000R

12 Concept Laser X-line 1000R/2000R

13 Současní výrobci DMLS zařízení 1. EOS GmbH (DE) 2. Concept Laser GmbH (DE) 3. Renishaw AM (UK) 4. SLM Solutions (DE) 5. 3D Systems (US) 6. Phenix Systems (FR) 7. Arcam AB (SWE)

14 Materiály-prášek Plynem atomizovaný prášek s nezoxidovaným povrchem, µm zrna sférického tvaru pro optimální rozložení prášku v prostoru (=maximální objemová hustota prášku a maximální vyplnění prostoru)

15 ExOne EOS GmbH POM Group, Inc. I repa Laser Arcab AB Honeywell Concept Laser GmbH Optomec, Inc. Reinshaw AMPD SLM Solutions GmbH 3D Systems Phenix Systems Fabrisonic LLC ČESKÉ Dostupné materiály Materiály Oceli Ocel infiltrovaná bronzem Korozivzdorné oceli SS 304 SS 316 infiltrovaná bronzem SS 316 SS 316L SS410 SS 420 infiltrovaná bronzem (žíhaná x nežíhaná) SS 420 SS PH X5CrNiCuNb 16-4 (GP1) X4CrNiCuNb16-4 (PH1) X2CrNiMo (CL 20ES) 13-8, 17-4 Nástrojové oceli H13 D7, CpM10V A-2, S7 Rychlořezné oceli T15, M2 Maraging oceli X3NiCoMoTi (CL 50WS) X3NiCoMoTi (MS1) Korozivzdornénstrojové ocelipro práci zatepla Corrax (CL 91 RW) Superslitiny na bázi Cr, Mo, Co, Mn, Ni Mo Nb ASTM F75 HX Hatfield steel IN690 Hastlloy X MarM 247 Rene 142 Waspalloy Stellite Superslitiny (MP1,SP2) Precipitačně vytvrditelná korozivzdorná martenzitická ocel 17-4 PH Označení výrobců: Renishaw - SS EOS GP1 Concept Laser C92PH

16 W.Nr. Běžně dostupné materiály Ekv. označení AISI 316L Korozivzdorná ocel se sníženým obsahem uhlíku X3NiCoMoTi Nástrojová ocel pro práci za tepla Corrax (AISI 420) Korozivzdorná nástrojová ocel pro práci za tepla PH Precipitačně vytvrditelná korozivzdorná martenzitická ocel AlSi12 Hliníková slitina AlSi10Mg (Al4046) Slévárenská slitina hliníku Ti6Al4V ELI Titanová slitina ve variantě Extra Low Interstitials Ti Grade 2 Komerčně čistý titan Inconel 718 Niklová superslitina ASTM F75 (CoCr 75) CuSn10 Zlato Cobalt-chromová superslitina Bronz 18 karátové zlato

17 Volba stroje s ohledem na materiál 1) Datasety nastavení konkrétního stroje pro konkrétní materiál: Neplatí tvrzení, že jakýkoli práškový materiál lze spékat na jakémkoli stroji. Každý výrobce zařízení z pravidla prodává svoje prášky. Ty mohou být totožné v rámci jedné slitiny, ale pravidlo to není. Každý výrobce poskytuje k práškům, které prodává nastavení parametrů stroje. Bez nich čeká koncového uživatele dlouhý a samostatný vývoj k dosažení výrobku s požadovanými vlastnostmi. Výrobce vždy uvádí materiály, které na stroji lze tisknout a těm také poskytuje podporu. 2) Zpracování reaktivních materiálů: Slitiny titanu a slitiny hliníku jsou v podobě prášku velmi reaktivní. Prášek disponuje velkým volným povrchem, který mu umožňuje reagovat se vzdušným kyslíkem. Tato reakce má za následek 2 problémy: vytváření nežádoucích oxidických vrstev a degradaci výrobku nebezpečí výbuchu Stroje schopné pracovat s vnitřní ochranou atmosférou

18 Stroje vhodné pro tisk Ti a Al slitin Al-slitiny: atmosféra dusíku Ti-slitiny:!pouze argon! Vhodné stroje: CL Mlab cusing R CL M2 cusing CL X-line 1000R Renishaw AM 250 EOS M290 EOS M400 Nevhodné stroje: CL Mlab cusing CL M1 cusing EOS M 280 (Ti) EOS M 080

19 Mikrostruktura a vlastnosti materiálu AISI 316L: Konvenční hutní výroba DMLS při nevhodně nastavených parametrech se vyskytuje porezita výrazně degraduje mechanické vlastnosti - především KCU a KCV způsobuje netěsnost výrobků a sníženou korozivzdornost lze částečně odstranit nákladným postprocessingem technologie HIP Materiál vykazuje prostorovou anizotropii mechanických vlastností Určitými parametry procesu lze upravovat mechanické vlastnosti

20 Mikrostruktura a vlastnosti materiálu Mikrostruktura bývá ve smyslu chemického složení velmi stejnorodá, jelikož se spéká velmi malý objem materiálu (na rozdíl od odlitků) Při nevhodném nastavení tisku se objevuje porezita Příklad chybné fokusace (AISI 316L):

21 AISI 316L zkouška tahem ČSN EN ISO Parametr Katalogová hodnota Mez kluzu Rp0,2 470 MPa Mez pevnosti v tahu Rm 570 MPa Tažnost A > 40 % Graf naměřených hodnot meze kluzu a meze pevnosti v tahu Graf naměřených hodnot tažnosti [N/mm 2 ] 800 [%] Mez pevnosti Mez kluzu Tažnost Vertikální Tisk pod Vertikální 32 tisk úhlem 45 tisk, focus level 0 mm Vertikální Tisk pod Vertikální tisk úhlem 45 tisk, focus level 0 mm

22 AISI 316L zk. rázem v ohybu ASTM E23-07a Vzorek KCV [J/cm2] Tabulková hodnota Vertikální tisk J/cm2 Horizontální tisk, vrub kolmo 136 Horizontální tisk, vrub rovnoběžně 136 Vertikální tisk, focus level 0 mm 188 [J/cm 2 ] Vertikální Horizontální Horizontální tisk Vertikální tisk, tisk tisk, vrub kolmo vrub rovnoběžně focus level 0 mm

23 Procesní parametry technologie DMLS U technologie DMLS je několik procesních parametrů, na kterých závisí konečné mechanické vlastnosti, stav povrchu, rozměrová přesnost, časová náročnost a výrobní náklady. orientace součásti při tisku způsob podporování strategie řádkování laseru hustota řádkování laseru tloušťka vrstvy rychlost pohybu svazku výkon laseru, tloušťka svazku způsob expozice plochy a kontury

24 Umístění podpor U technologie DMLS je vhodné veškeré povrchy, které s svírají s rovinou tisku úhel menší než 45 podepřít. S ohledem na úsporu materiálu, velikost pracovního prostoru a geometrickou přesnost je třeba volit orientaci součásti v pracovním prostoru. To platí i pro dutiny.

25 Vzorek pro zkoušku tahem tištěný pod 45

26 Příklad procesních parametrů pro nerez ocel Stroj: Concept Laser M2 Cusing Tloušťka vrstvy: 30 µm Expozice plochy: 200 W, 800 mm/s Expozice kontury: 180 W, 1600 mm/s Focus move: 0 mm (posun hladiny spékání vůči hladině ostrosti svazku) Tloušťka svazku: 0,15 mm Překryv svarů: 0,15*tloušťka svazku Strategie tisku: lineární dráhy křížem Nulová porezita Parametr drsnosti Ra = 12µm Vrubová houževnatost KCV = 188 J/cm 2 Rp 0,2 = 510 N/mm 2 Rp 0,2 = 615 N/mm 2 A = 43% Tvrdost 240 HBS 2,5/187,5

27 Strategie tisku a rozdílné expozice

28 Závislosti Rm na procesních parametrech

29 Závislost přesnosti na procesních parametrech

30 Závislost drsnosti na procesních parametrech

31 Příprava výroby a programování DMLS

32 Příprava výroby a programování DMLS Vstup = model v nativním formátu (CATIA / Inventor / ProE / NX ) 1. Převod do formátu STL (přenosný formát povrchových dat) 2. CAM pro Additive Manufacturing Magics software (Materialise, 3Shape Cambridge) Příprava dat (kontrola, polohování, tvorba podpěr) Rozvrstvení (slicing) 3. Stroj DMLS Načtení dat Tisk

33 BOZP (EHS) rizika Nebezpečí výbuchu v případě reaktivních materiálů Zvíření prachu a poranění očí, plic, kůže (nikl) Karcinogenní efekt některých prášků Nutná bezpečnostní zóna okolo stroje Ochranné pracovní pomůcky: rukavice těsně padnoucí brýle ochranný oděv respirátor uzemňující náramek

34 Nevýhody a omezení nelze tisknout uzavřené dutiny >!prášek nevyklepete! Pro tisk ploch pod úhlem nutné podpory. Pod 45 naprostá nutnost. Pod 65 dochází bez podpor k ztrátě přesnosti. přesnost tisku oblouku, klenby, otvoru

35 Nevýhody a omezení ověřování stability procesu časová náročnost, pořizovací náklady drobná degradace laseru a optiky nutnost žíhání pro odstranění vnitřního pnutí vysoké drsnosti povrchu Ra= 7 až 15 µm > obrobení funkčních ploch kumulace tepla v komoře u větších výrobků chladnutí po tisku smršťování - > korekce modelu častý postrprocessing odstranění podpor, tryskání, obrobení, žíhání, HIP

36 Obecné přínosy DMLS 1. Výroba atypických dílů 2. Vnitřní struktury výrobků jinou technologií nedosažitelné 3. Součásti, implantáty made to measure 4. Redukce hmotnosti 5. Optimalizace konstrukce s ohledem na zatížení 6. Prototypová výroba 7. Malé série absolutně pružný výrobní systém 8. Nezávislost místa výroby na mateřském závodu či oddělení vývoje

37 Aplikace automotive Prototypová výroba bez přípravků, nástrojů a forem = úspora, akcelerace vývoje Preferované materiály: hliníkové slitiny, korozivzdorná ocel Příklad: svody, kolena, závěsy, výměníky Závěs kola [45]. Tepelný výměník [45].

38 Aplikace letectví Prototypová výroba - akcelerace vývoje Preferované materiály: korozivzdorná ocel, niklové superslitiny, titanové slitiny Příklad: trysky paliva, duté lopatky, závěsy, spalovací komory Porovnání konvenčního designu ocelového závěsu s optimalizovanou topologií součásti vyrobené pomocí DMLS z Ti6Al4V [51] Tryska motoru GE LEAP CoCr slitina

39 Aplikace letectví Spalovací komora leteckého motoru Duté turbinové lopatky

40 Aplikace výroba forem Prototypová výroba, konformní chlazení zrychlení výroby plastových dílů, tlakového lití z lehkých slitin Preferované materiály: nástrojová ocel pro práci za tepla precipitačně vytvrditelná korozivzdorná martenzitická ocel 17-4 PH Příklad: opravy forem, části forem s chladicími kanály Postup opravy formy pomocí DMLS [58]

41 Aplikace výroba forem Postup výroby chlazeného trnu

42 Aplikace šperkařský průmysl Malosériová výroba, unikátní kusy, funkčně spojené kousky šperků Preferované materiály: Nerezové oceli (bez stabilizace titanem nelze leštit) Titanové slitiny Zlato a stříbro Šperky z ryzího zlata vyrobené pomocí DMLS [59]

43 Aplikace kostní náhrady a zubní protetika Výroba implantátů z biokompatibilních materiálů, výroba na míru, tvorba porézních povrchů pro lepší srůst s tkání, nástroje pro operativu Preferované materiály: CoCr - slitina Titanová slitina Ti6Al4V ELI dle ISO Příklad: endovaskulární stenty, kloubní jamky, kloubní hlavice, části lebky, zubní náhrady a můstky Zubní náhrady [59] Náhrada kyčelního kloubu [47]

44 DĚKUJI ZA POZORNOST