«Fabricación aditiva de metales: algunas claves del proceso y sus implicaciones en diseño, materiales y máquinas» Mayo 2017

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1 «Fabricación aditiva de metales: algunas claves del proceso y sus implicaciones en diseño, materiales y máquinas» Mayo 2017

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3 Datos relevantes M Ubicación Ordizia, Gipuzkoa Especialización Materiales y Procesos Tecnologías de Unión Fabricación Aditiva de Metales Tecnologías INDUSTRY 4.0 Servicios Tecnológicos Gestión de la Innovación

4 Ámbitos Principales La fabricación Aditiva en IK4 LORTEK Primeros pasos en 2004 en la tecnología de LMD: Año 2005: incorporación de esta tecnología en máquina de mano de Nicolás Correa, proyecto financiado por el CDTI. Año 2007, primera instalación de Fabricación Aditiva de Metales en el País Vasco: Máquina de SLM: MCP SLM Realizer 250 Año 2014, adquisición de máquina SLM 280HL EQUIPO MCP SLM Realizer 250 Potencia (W) Productividad 200 Media SLM 280HL 400 Alta (x2) Tamaño de fabricación (mm) y volumen (litros) 250x250x220 13,75 280x280x350 27,44 Materiales Aleaciones de níquel, aceros (inox, hta.), cobalto-cromo, y titanio. Aleaciones de níquel, aceros (inox, hta.), cobalto-cromo, titanio y aleaciones de aluminio

5 Ámbitos Principales La fabricación Aditiva en IK4 LORTEK IK4-LORTEK

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7 Índice Índice Principios básicos de la tecnología SLM Diferencias entre máquinas de SLM Parámetros de proceso críticos y optimización de la densidad Densidad de energía Características del Polvo Re-utilización y reciclado del polvo Simulación del proceso de fabricación aditiva Post-Procesado: HIP y tratamientos superficiales Proyectos Conclusiones

8 Principios básicos de la Fusión Selectiva por Láser (SLM) 3D-CAD Capeado Fundamentos Aplicación capa de polvo Descenso de la plataforma Fusión del polvo por medio del láser CAPA CAPA CAPA Láser Pieza Dispensador Extracción pieza Plataforma Fuente: Leistner

9 Máquina Diferencias entre máquinas de SLM Maquinas de PBF / SLM presentan diferencias de comportamiento. IK4 LORTEK ha realizado un benchmarking Calibración de la fuente láser. Sistema de escaneo y posicionamiento del haz. Flujo de gas. Mantenimiento limpieza de componentes: lentes, filtros, etc. Influencia en la porosidad del sistema de escaneo: diferentes versiones del software del «scanning controller» Influencia en la porosidad del flujo de gas en la cámara

10 Parámetros de proceso críticos Parámetros de proceso críticos y optimización de la densidad Controlling parameters in SLM process Material characteristics Process parameters - Thermal conductivity - Absorption coefficient - Melting point - Coefficient of thermal expansion Laser Scan Powder Temperature - Laser power - Spot size - Pulse duration - Pulse frequency - Scan speed - Hatch spacing - Scan pattern - Particle size - Particle shape & distribution - Powder bed density - Layer thickness - Material properties - Powder bed temperature - Powder feeder temperature - Temperature uniformity

11 Parámetros de proceso críticos Parámetros de proceso críticos y optimización de la densidad Los parámetros de proceso principales se pueden describir en el concepto: DENSIDAD de ENERGÍA E = energy density (J/mm 3 ) P = laser power (W) v = scanning speed (mm/s) h = hatch spacing (mm) t = layer thickness (mm) Aleación de Níquel E Porosity E Lack of fusion Very low scanning speed long interaction time between laser and powder high energy density causing evaporation of powder and porosity Optimisation of process parameters

12 Relative density (%) Parámetros de proceso críticos Parámetros de proceso críticos y optimización de la densidad Estrategias para disminuir la porosidad residual: Ejemplo para un escaneado de tipo ajedrezado Sin startstop 99.42% 100,0 99,5 99,0 Con startstop 99.98% Few pores < 30 μm 98,5 98,0 97,5 97, Energy density (J/mm 3 ) Without skywriting With skywriting 12

13 Powder 2 Powder 1 Parámetros de proceso críticos Parámetros de proceso críticos y optimización de la densidad CARACTERÍSTICAS DEL POLVO Aleación de Aluminio ρ = % ρ = % Powder 2: Morfología más esférica y contenido menor de satélites 13

14 Parámetros de proceso críticos Parámetros de proceso críticos y optimización de la densidad Re-utilización y reciclado del polvo cómo afecta a las propiedades del material fabricado? Virgin Powder Feedstock 1st iteration SLM Test Part Fabrication nth iteration Mechanical & Metallurgical Analysis Se han analizado 14 ciclos de reciclado para una aleación de níquel. Analysis of Powder Sample Residual Powder Sieving & Drying Mechanical test samples Powder Storage Después de cada ciclo de reciclado se ha analizado: -Distribución de tamaño de partícula. -Composición del polvo. -Propiedades mecánicas. 60x12x12mm 10x10x10mm Metallurgical test samples

15 Cumulative Frequency (%) Frequency (%) Parámetros de proceso críticos Parámetros de proceso críticos y optimización de la densidad Re-utilización y reciclado del polvo cómo afecta a las propiedades del material fabricado? (a) n = 1 Distribución de tamaño de partícula (c) 20 n = 1 20 n = 7 20 n = Propiedades mecánicas. 100 µm (b) n = Particle Size (μm) 100 n = 1 80 n = 7 60 n = Energy (J) Particle Size (μm) Iteration (a) Composición del polvo (b)

16 Simulación de Proceso Simulación del proceso de fabricación aditiva Basado en conocimientos de simulación del proceso de soldadura. Simulaciones rápidas y orientadas al diseño del proceso. Aplicaciones: Predicción y control de distorsiones y tensiones residuales. Simulación microestructural Optimización diseño: orientación de la pieza Diseño de estrategias de soportaje Diseño de estrategias de soportaje

17 Simulación de Proceso Simulación del proceso de fabricación aditiva 400 layers Material: IN 718 Machine: SLM Solutions 280 HL Number of. specimens: 3x6 3 scan strategies: 1) Chess-board 2) Longitudinal stripes 3) Perpendicular stripes Good correlation between numerical and experimental results

18 Simulación de Proceso Simulación del proceso de fabricación aditiva DISEÑO DEL PROCESO DE FABRICACIÓN Material: IN 718 Machine: SLM Solutions 280 HL Stripe angle: 30º

19 Simulación de Proceso Simulación del proceso de fabricación aditiva Building direction Recoating direction Control de distorsiones durante el proceso de fabricación

20 Simulación de Proceso Simulación del proceso de fabricación aditiva DISEÑO DE LA ESTRATEGIA DE SOPORTAJE

21 Post-Procesado Post-Procesado: HIP y tratamientos superficiales Mejora de las propiedades a fatiga mediante HIP y tratamientos superficiales. Fatigue limit HIP 920 C MPa TT 850 C MPa Aleación de Ti: Ti64 21

22 Proyectos Proyectos MATERIAL IN 718 Ti 64 Ti64, Co-Cr, Hastelloy X Ti64, Al OPTIMIZACIÓN PARÁMETROS PROPIEDADES MECÁNICA POST-PROCESO X X X X X X X SIMULACIÓN X X X MÁQUINA X X X

23 Conclusiones Conclusiones Importancia de características de la máquina: benchmarking, software escaneo y flujo de gas afectan a la porosidad. Control de parámetros críticos para garantizar integridad del material: porosidad y agrietamiento. Densidad de energía, características polvo, control de escaneo, grado de reutilización de materia prima. Simulación de proceso: herramienta rápida para diseñar proceso de fabricación. Predicción de distorsiones, orientación de la pieza, diseño de soportaje, etc. Post proceso para mejorar calidad superficial y propiedades mecánicas, principalmente fatiga. Y mucho más: Monitoring. Multilaser Skin-Core Technology Certificación de proceso Etc.

24 Maria San Sebastian Ormazabal Procesos de Unión. Investigador Principal