Fabricación aditiva en metal: introducción, tipos de tecnologías AM en metal, SLM, aplicaciones, fases del proceso.

Fabricación aditiva en metal: introducción, tipos de tecnologías AM en metal, SLM, aplicaciones, fases del proceso. Ordizia, 27 de Noviembre de 2013

Introducción a la fabricación aditiva en metal Tecnologías de fabricación aditiva en metal. SLM (Selective Laser Melting = Fusión Selectiva por Láser). Materiales y parámetros de selección en SLM. Aplicaciones SLM Fases del proceso SLM 2

Concepto ASTM International F42 Committee on Additive Manufacturing Technologies Fabricación aditiva: consistente en manipular material a escala micrométrica y depositarlo, usualmente capa a capa, para crear objetos a partir de datos 3D de un modelo, de forma opuesta a las técnicas de fabricación sustractiva. 3

Origen y evolución de la tecnología 1987 primer equipo AM: 3D System (EEUU) 1989 SLS: DTM 3D System 1992 Deposición de hilo fundido FDM: Stratasys 1998 nace la técnica EBM: ARCAM 2000 LMD: OPTOMEC 2003 Primer láser de fibra 2011 equipos SLM 3ª generación 4

Desarrollo de la tecnología: Datos interesantes 9,9% (2011) Fuente: Terry Wohlers 2012 5

Introducción a la fabricación aditiva en metal Tecnologías de fabricación aditiva en metal Selective Laser Sintering (SLS) Electron Beam Melting (EBM) ExOne Laser Metal Deposition (LMD = 3D cladding) Selective Laser Melting (SLM) Comparativa entre tecnologías Materiales y parámetros de selección SLM Aplicaciones SLM Fases del proceso SLM 6

Metodología de fabricación: proceso UV, IR, eléctrico, resistencia, 1º Prototipado virtual: creación del modelo CAD 2 Preparación del modelo y del equipo 3 Fabricación de la pieza 4 Post-proceso. 7

Procesos de fabricación aditiva base polvo Selective laser sintering (SLS) Electron beam melting (EBM) Ex One (digital part materialization) Laser Metal deposition (LMD) Selective Laser Melting (SLM) 8

Tecnologías aditivas: Selective Laser Sintering, SLS Patentada por Dr. Carl Deckard y Dr. Joe Beaman en la University of Texas at Austin a mediados de los años 80. Deckard and Beaman formaron la compañia DTM. En 2001, 3D Systems el mayor competidor de DTM adquirió la compañia. 9

Tecnologías aditivas: Electron beam melting (EBM) y ExOne 10

Tecnologías aditivas: Laser Metal deposition, LMD Laser direct casting (Sears, 1999) developed at the University of Liverpool; Direct metal deposition (DMD; Mazumder et al., 1997) developed at University of Michigan, and commercialized by Precision Optical Manufacturing (POM); Directed light fabrication (DLF; Lewis et al., 1994; Milewski et al., 1998b) developed at Los Alamos National Laboratories; Laser forming (or Lasform process; Arcella and Froes, (2000) developed by the MTS Systems Corporation and commercialized until recently by AeroMet Corporation Laser deposition of metals for shape deposition manufacturing (Fessler et al., 1996) developed at Stanford University; Laser-engineered net shaping (LENS; Keicher and Miller, 1998) developed at Sandia National Laboratories and commercialized by Optomec Design Co.; Laser powder fusion (Sears, 1999) commercialized by Huffman Corporation; 11

Tecnologías aditivas: Selective Laser Melting (SLM) 12

Tecnologías aditivas: Comparación SLM & EBM Powder size 45-100 mm 10-45 mm 13

Comparativa LMD y SLM Particle size 45-100 mm 10-45 mm 14

Introducción a la fabricación aditiva en metal Tecnologías de fabricación aditiva en metal. SLM (Selective Laser Melting = Fusión Selectiva por Láser). Materiales y parámetros de selección en SLM. Aplicaciones SLM Fases del proceso SLM 15

Tecnologías aditivas: Selective Laser Melting (SLM) DEPÓSITO DE CAPAS DE POLVO (20-100 mm) EXPOSICIÓN AL LÁSER. DESCENSO DE LA PLATAFORMA DE FABRICACIÓN. PROCESO: 5 20 cm³/h PROCESO AUTOMATIZADO Y QUE PERMITE INTEGRACIÓN CAD/CAM MATERIALES PROCESABLES: Acero inoxidable, acero de herramientas, aluminio, cobalto-cromo, inconel, titanio. 16

Tecnologías aditivas: Selective Laser Melting (SLM) 17

Selective Laser Melting, SLM VENTAJAS Componentes con forma compleja y única a partir de polvo Funcionalización de superficies Estructuras livianas Superficies micro y nanoestructuradas Partes de multimateriales (en desarrollo) Propiedades muy similares a PM, casting, wrought. Por qué SLM? DESVENTAJAS Elevada rugosidad superficial Altas tensiones residuales Propiedades anisotrópicas Difícil evacuación del polvo en pequeños canales Costo elevado de las máquinas de SLM Voladizos (overhangs) 18

Selective Laser Melting, SLM 19

Selective Laser Melting, SLM Boundary : Contorno exterior, límite de la pieza. Fill Contour : Contorno o contornos paralelos al límite. Hatch : Líneas que escanean el área de escaneo entre los contornos. Skin Hatch : Estrategia de escaneado para la superficie exterior. Éste refunde el contorno exterior de la pieza para obtener un acabado superficial óptimo. Stripe : División del hatch para realizar el escaneado de menor longitud. Stripe size : Tamaño del stripe. Support : Geometrías que se generan para soportar estructuras voladizas o curvas que de otra manera se desprenderían. 20

Selective Laser Melting, SLM Manufacturing parameters ZONE Hatch Boundary Contour Potencia (W) 200 80 80 Exposure time (µs) 286 333 200 Solape en X y Y (mm) 50 --- --- Espesor de capa (µm) 50 50 50 Tamaño del spot (mm) 200 180 180 Velocidad de escaneo (mm/s) 350 300 500 21

Selective Laser Melting, SLM Escaneado unidireccional y bidireccional Estrategia de escaneado alternando por capa en X e Y Diferentes trayectorias de escaneado en una capa. a) Filas primero; b) Columnas primero; c) Con "stripes"; d) Ajedrezado 22

Tecnologías aditivas VENTAJAS Permite fabricar: Productos con formas / diseños complejos Productos aligerados Productos ergonómicos. Productos con series cortas. Reduce errores de montaje y los costes asociados a ellos. Reducción de costes asociados a utillaje. Menor impacto medioambiental. DESVENTAJAS Limitada disponibilidad y el coste de los materiales. Tamaño limitado de piezas. Algunas equipos de AM requieren una inversión alta. A día de hoy desconocimiento de la dinámica del proceso. Acabado superficial de las piezas y velocidad de fabricación. Manipulación de materia prima en polvo. 23

Introducción a la fabricación aditiva en metal Tecnologías de fabricación aditiva en metal SLM (Selective Laser Melting = Fusión Selectiva por Láser) Materiales y parámetros de selección en SLM Morfología Composición química Granulometría Fluidez Densidad Aplicaciones SLM Fases del proceso SLM 24

Materiales MATERIAL PROPIEDADES DEL MATERIAL APLICACIONES PRINCIPALES ALEACIONES Acero inoxidable Resistente a la corrosión Buenas propiedades mecánicas Electrodomésticos, automoción, construcción, industria, medicina (implantes e instrumental quirúrgico). 316L(1.4404); 1.4410 Acero de herramientas Dureza superficial alta Resistente a la corrosión Fácil mecanizado Moldes para inyección de plásticos, implantes médicos, aplicaciones marítimas, husillos y tornillos, cuchillería y baterías de cocina. H13 (1.2344); 1.4542 (17-4PH); 1.7228 (50CrMo4); 1.4541 (CLC 18-10Ti); 1.4313 (CrNiMo 13-4) Aluminio Buenas propiedades mecánicas y eléctricas Buena procesabilidad (moldeo y por presión) Automoción, aeronáutica y bienes de producto. AlSi12; AlSi10Mg; AlSi7Mg; AlSi9Cu3; AlMg4,5Mn0,4 Cobalto cromo Alta dureza Gran resistencia a la corrosión y al desgaste Buenas propiedades mecánicas Biocompatible. Implantes médicos, dental y para altas temperaturas. CoCrASTM F75: Co212f Inconel Alta resistencia a la corrosión y tracción Excelente soldabilidad Aeronáutica, turbinas de gas, motores, naves espaciales, transbordadores aeroespaciales, reactores nucleares, bombas Inconel 625; Inconel 718; Inconel HX (2.4665) Titanio Resistente a la corrosión Buenas propiedades mecánicas Biocompatible Fácil mecanizado Implantes, aeronáutica, Formula1, diseño y joyería y aplicaciones marítimas. TiAl6V4; TiAl6Nb7; Ti (Grade 1) 25

Acero inoxidable y de herramientas Mechanical Data 1.4404 (316L) 1.4404 Conventional 1.2344 (H13) 1.2709 Tensile strength R m [MPa] 625 (±30) 500-700 1730 (±30) 1110 (±30) Offset yield stress R p0,2 [MPa] 525 (±30) 200-985 (±30) Hardness 237 HV (±4) <215 54 HRC (±2) 51 HRC (±2) Bar impact value [J] 75 (±4) 100/60² - - Thermal conductivity [W/mK] 15 10 25,6 15 Surface roughness R Z X/Y [ μm ] 16 (±2) 13 (±2) 12 (±2) Surface roughness R Z Z [ μm ] 38 (±4) 34 (±4) 35 (±4) 26

Aluminio Mechanical Data Al Si 12 Tensile strength R m [MPa] 409 (±20) Offset yield stress R p0,2 [MPa] 211 (±20) Hardness 105 HB (±1) Breake strain A [%] 5,1 Surface roughness R Z X/Y [ μm ] 15 (±2) Surface roughness R Z Z [ μm ] 34 (±4) 27

Cobalto Cromo Mechanical Data CoCr ASTM F75 Tensile strength R m [MPa] 1050 (±20) Offset yield stress R p0,2 [MPa] 835 (±20) Hardness 35 HRC (±1) Thermal conductivity [W/mK] 11-14 Surface roughness R Z X/Y [ μm ] 17 (±2) Surface roughness R Z Z [ μm ] 29 (±4) 28

Inconel Mechanical Data HX 625 625 Conventional 718 718 Conventional Tensile strength R m [MPa] 910 680 820-1050 1200 >1230 Offset yield stress R p0,2 [MPa] 400 410 415 950 1030 Breake strain A [%] 35 30 30 24 12 Thermal conductivity at Surface roughness 20 C[W/mK] R Z X/Y [ μm ] 11,6 11,4 10 11,5 13 14 14 15 Surface roughness R Z Z [ μm ] 28 28 30 *Values for annealed samples 29

Titanio Mechanical Data Ti Al6Nb7* Ti Al6V4* Reintitan pure titanium Tensile strength R m [MPa] 1185 (±30) 960 (±30) > 290 Offset yield stress R p0,2 [MPa] 1100 (±35) 815 (±40) > 180 Hardness 39,4 HRC (±2) 37,3 HRC (±2) > 120 Breake strain A [%] 11-18 10-18 > 20 Thermal conductivity at 20 C[W/mK] 7 7,1 22,6 Surface roughness R Z X/Y [ μm ] 14 (±2) 14 (±2) 14 (±2) Surface roughness R Z Z [ μm ] 36 (±4) 36 (±4) 36 (±4) *Values for annealed samples 30

Morfología del polvo Morfologías obtenidas mediante diferentes procesos: a) Sinterizado y cuarteado b) Atomizado por agua c) Atomizado por gas d) Aglomerado y sinterizado e) Densificado por plasma f) Mezclado. 31

Morfología del polvo: sinterización por gas Proceso más adecuado para la obtención de partículas esféricas es la sinterización por gas. El principio de la atomización consiste en una corriente continua de metal líquido que se parte en gotas por el choque de un chorro de gas. Una vez de que se haya realizado la fragmentación el polvo resultante se tamiza y se refina en un horno con atmósfera reductora. 32

Composición química 33

Granulometría Para determinar el tamaño de grano o granulometría se utiliza la difracción por láser, la cual ofrece un histograma de tamaños de partículas, y la gráfica obtenida debe ser de forma gaussiana. En el caso del SLM el fabricante especifica que el 80% de polvo debe estar entre 20 y 35 µm, con una media de 28 µm. 34

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Sector médico-sanitario Necesidad de fabricación de piezas únicas y PERSONALIZADAS Es un sector de alto valor añadido por tratar con aspectos que afectan a la calidad de vida Piezas dentales Fuente: Concept Laser 37

Implantes articulares Concept Laser Concept Laser IK4 LORTEK IK4 LORTEK 38

Scaffolds IK4 LORTEK IK4 LORTEK Funcionalización Biocompatibilidad Modificación superficial (Técnicas electroquímicas y electropulido) Aleaciones de Ti para largos periodos CoCr y AISI 316L para cortos periodos Osteintegración 39

Implantes de oído Materialise Fabricación a medida Dispositivos mas livianos Optimización de diseño El 99% de los implantes de oído se fabrican mediante AM Más de 10 millones de personas utilizan estos componentes 40

Sector de automoción Actualmente se utiliza para la fabricación de prototipos y la validación de nuevos componentes 41

Sector de automoción Concept Laser Concept Laser Concept Laser Fabricación de pequeñas series Libertad de diseño Uso más eficiente del material Eliminación del tiempo de diseño de moldes 42

Sector de molde y matricería Posibilidad de fabricar moldes o partes de un molde con canales de refrigeración con geometrías libres, optimizando la refrigeración IK4 LORTEK Concept Laser Concept Laser 43

Sector de la joyería Se inició como medio para el prototipado rápido de los diseños Actualmente está evolucionando hacia la personalización de los productos con geometrías complejas El avance está restringido por la limitación en la gama de materiales A día de hoy técnicamente es posible utilizar oro y plata, aunque el coste de la materia prima y su compleja gestión son limitantes Fuente: Concept Laser 44

Sector aeronáutico Los bajos volúmenes de fabricación, el compromiso entre la resistencia mecánica y peso, la personalización y la necesidad de utilizar geometrías complejas hace que el AM encaje perfectamente SLM Solutions Concept Laser 45

Sector del arte EOS IK4 LORTEK IK4 LORTEK 46

Otros componentes Proyecto FUSKITE cuyo objetivo era demostrar a escala la posibilidad de recuperación de tritio en reactores de fusión, como el ITER. Parte del demostrador (diseñado y fabricado por SENER) es un permeador de vacío 47

Fabricación aditiva al alcance de todos 48

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VIDEOS DEFINITIVOS PARA JORNADA\PROCESO DE PREPARACION ANTES DE MAQUINA.avi 50

IMPORT Y APLICACIÓN DE PARAMETROS Y ESTRATEGIAS EN SLM 51

IMPORT DE SOPORTES, ALINEADO EN Z Y MERGE 52

IDEM ANTERIOR EN PERSPECTIVA 53

HOJA DE MATERIAL DATA: PARÁMETROS 54

VECTORIZADO DE LAS CAPAS: SLICE Nº 0 55

SLICE Nº 71 56

SLICE Nº 71: DETALLE 57

SLICE Nº 72 58

SLICE Nº 72: DETALLE 59

VISTA DE LA PIEZA Y SOPORTES TOTALMENTE VECTORIZADA 60

IDEM ANTERIOR EN PERSPECTIVA 61

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Tecnología nueva (20 años) con un crecimiento importante. Optimización de procesos de manufactura, agilizando obtención de modelo, moldes, piezas, etc. De elevada complejidad desplaza procesos convencionales de mecanizado. Posibilidad de optimizar procesos de diseño Optimización de tiempos de procesado, diseño, aligeramiento y adaptación a piezas más complejas, más pequeñas a menos coste y contaminación (GREEN TECHNOLOGY) Manipulaciones previas del material, post-procesado, control de calidad Acabado superficial de las piezas y velocidad de fabricación Tamaño limitado de piezas Coste de los equipos Desconocimiento por parte de los diseñadores industriales Aumentar la producción limitada a prototipos o preseries Aumentar la cuota de mercado en sectores claves (automoción y aeronaútico) 63

From material removal (Stone Age through today) To Additive Manufacture (tomorrow)

GRACIAS