The Scope of Additive Manufacturing in Cryogenics, Component Design, and Applications Review and Status

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1 The Scope of Additive Manufacturing in Cryogenics, Component Design, and Applications Review and Status W Stautner 1, S Vanapalli 2, K-P Weiss 3, R Chen 1, K Amm 4, E Budesheim 1, J Ricci 1 1 GE Global Research, Imaging Technology, Niskayuna, USA 2 University of Twente, Enschede, The Netherlands 3 Institute of Technical Physics, Karlsruhe Institute of Technology, Germany 4 GE Global Research, Electric Power, Niskayuna, USA July 9-13, Monona Terrace, Madison, WI

2 Processes for Additive Manufacturing Stereolithography (SLA) Digital Light Processing (DLP) Fused Deposition Modelling (FDM) Selective Laser Sintering (SLS) Selective Laser Melting (SLM) Electronic Beam Melting (EBM) Pointwise Spatial Printing (PSP) 2

3 Cryogenics Possible Applications Special shaped tubes and shells Cryogenic suspension and support systems Bimetal structures Structures for impellers or pumps, valve stems Cooling tubes, vials, seals and heat switches Heat pipes Thermal batteries / salt structures Thermal insulation designs, e.g. for HTS structures Micro heat exchangers/micro channels Salt pills and special structures for ADRs Porous plugs Gas storage in high porosity structures Squid insets Superconducting wires / superconducting coils Cold mass / magnet support 3

4 Exemplary Designs

5 Vanapalli Flat-Panel Gas-Gap Switch Dimensions: Square plate: 100 x 100 x 3.2 mm Fin spacing: 0.2 mm Fin thickness: 0.35 mm TiAl6V4 (SLM) Thermal switch for temperatures below 3 K GE test setup Spring load on switch / cold plate/cryocooler interface Switch between cold plates for testing contact conductance ratios Fill tubes 5

6 Vial Guide - for Use in a 4-vial Prepolarising Cryosystem Vial entry path and exit (center hole) 6

7 Metals

8 Example: Thermal Conductivity of TiAl6V4 (bulk vs additive) 3.2 K only half of bulk 8

9 Polymers

10 3D Materials Plastics PolyJet -Technologie 10 Maschinenmaße (B * Baugröße T * H) Maschinengewicht: (X * Y * Z) Manufacturing routes Specimen characteristics Vergleich der am IFG verfügbaren Technologien Fused Deposition Vergleich Modeling der am IFG verfügbaren Specimen for tensile, Datenaufbereitung Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) Technologien compression and Datenaufbereitung thermal tests Motor Die Liquefier 3D-Daten werden in der 3-D-Drucker-Software als STL eingelesen, dann in mathematisch definierte Schichten zerlegt (Slicen). Die StützkonstruktionenVergleich werden, soweit sie erforderlich am sind, IFG automatisch verfügbaren berechnet. Danach werden die noch technologisch aufbereiteten Daten an die Wire Polyjet oder FDM-Anlage übertragen. material Technologien werden in der 3-D-Drucker-Software als STL eingelesen, dann in mathematisch definierte Schichten zerlegt Stützkonstruktionen werden, soweit sie erforderlich sind, automatisch berechnet. Danach werden die noch aufbereiteten Daten an die Polyjet oder FDM-Anlage übertragen. yjet-technologie werden Photopolymerltradünnen Schichten (ca.17µm) so lange f eine Bauplattform gejettet, bis das Bauteil Jede Photopolymer-Schicht wird sofort nach UV-Licht ausgehärtet; so werden vollständig elle erstellt. Das gelartige Stützmaterial, ll für komplizierte Geometrien angelegt ist, d, mit einem Wasserstrahlsystem oder nt werden. 60 V angogray TangoBlack, TangoBlackPlus TangoPlus, Durus,. 870 mm x 735 mm x 1200 mm 260 mm x 260 mm x 200 mm 280 kg Druckauflösung X-Achse: 600 dpi: 42 µm Y-Achse: 600 dpi: 42 µm Unterstütztes Material Maschinenmaße (B * T * H) Z-Achse: 1600 dpi: 16 µm FullCure 720, VeroWhitePlus VeroBlue, VeroBlack, TangoGray TangoBlack, TangoBlackPlus TangoPlus, Durus,. 870 mm x 735 mm x 1200 mm Jet Datenaufbereitung Motor Die Liquefier 3D-Daten Platform werden in der 3-D-Drucker-Software PolyJet -Technologie Material spool als STL eingelesen, dann in mathematisch definierte Schichten zerlegt FDM -Technologie (Slicen). Die Stützkonstruktionen werden, soweit sie erforderlich sind, automatisch berechnet. Danach werden die noch technologisch aufbereiteten Daten an die Wire Polyjet oder FDM-Anlage übertragen. material Print head x-axis Polyjet-Modeling UV-light Platform Model material PolyJet -Technologie Material spool Acrylate Photopolymer (VeroWhite) Das Modellmaterial liegt in Drahtform auf leicht nachladbaren Spulen Print vor. head Es wird in den in x- und y-richtung verfahrbaren x-axis FDM-Maschinenkopf Support gezogen, dort geschmolzen material y-axis und anschließend durch die Düse extrudiert und auf der Bauplattform aufgebracht, wobei sich das Material sofort verfestigt und durch thermisches Platform Verschmelzen verbindet. Durch Absenken UV-light z-axis der Bauplattform in z-richtung wird das Modell so Schicht für Model material Schicht erzeugt. Nach Fertigstellung des Modells steht dieses Bei ohneder großenpolyjet-technologie Nachbearbeitungsaufwand werden als Bauteil/-gruppe Photopolymer- zur Materialien Verfügung. in ultradünnen Schichten (ca.17µm) so lange schichtweise auf eine Bauplattform gejettet, bis das Bauteil Support material dem Jetten mit UV-Licht ausgehärtet; so werden vollständig Platform z-axis welches speziell P430 für Thermoplast komplizierte ABSplus Geometrien angelegt ist, (elfenbeinfarben) kann von Hand, mit einem Wasserstrahlsystem proto3000.com oder Baugröße 127 mm x 127 mm x 127 mm fertig gestellt ist. Jede Photopolymer-Schicht wird sofort nach (X * Y * Z) Schichtdicke gehärtete 0,17mm Modelle erstellt. Das gelartige Stützmaterial, Unterstütztes Material FDM -Technologie y-axis Maschinenmaße 630 mm x 521 mm x 470 mm chemisch Bei der entfernt PolyJet-Technologie werden. werden Photopolymer- (B * T * H) Maschinengewicht: 28 kg Materialien in ultradünnen Schichten (ca.17µm) MOJO so lange schichtweise auf eine Bauplattform gejettet, bis das Bauteil 127 mm x 127 mm x 127 mm fertig gestellt ist. Jede Photopolymer-Schicht wird sofort nach Baugröße (X * Y * Z) dem Jetten EDEN mit260 UV-Licht V ausgehärtet; so werden vollständig gehärtete Modelle erstellt. Das gelartige Stützmaterial, welches speziell für komplizierte Geometrien angelegt ist, Dr. Klaus-Peter Weiss Schichtdicke Unterstütztes Material 0,17mm P430 Thermoplast ABSplus (elfenbeinfarben) kann von Hand, mit einem Wasserstrahlsystem oder Maschinenmaße 630 mm x 521 mm x 470 mm Referenzen chemisch entfernt werden. (B * T * H) Jet Layered Surface Structure ABS FDM -Technologie Das Modellmaterial liegt in Drahtform auf leicht nachladbaren Spulen vor. Es wird in den in x- und y-richtung verfahrbaren FDM-Maschinenkopf gezogen, dort geschmolzen und anschließend durch die Düse extrudiert und auf der Bauplattform aufgebracht, wobei sich das Material sofort verfestigt und durch thermisches Verschmelzen verbindet. Durch Absenken der Bauplattform in z-richtung wird das Modell so Schicht für Schicht erzeugt. Nach Fertigstellung des Modells steht dieses Dasohne Modellmaterial großen Nachbearbeitungsaufwand liegt in Drahtform auf leicht als Bauteil/-gruppe nachladbaren zur Spulen Verfügung. vor. Es wird in den in x- und y-richtung verfahrbaren FDM-Maschinenkopf gezogen, dort geschmolzen und anschließend durch die Düse extrudiert und auf der Bauplattform aufgebracht, wobei sich das Material sofort verfestigt und durch thermisches Verschmelzen verbindet. Durch Absenken der Bauplattform in z-richtung wird das Modell so Schicht für Schicht erzeugt. Nach Fertigstellung des Modells steht dieses ohne großen Nachbearbeitungsaufwand als Bauteil/-gruppe zur VeroWhite K-P Weiss et al IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 102 (2015) Institute for Technical Physics

11 3D Materials Characterization Methods Mechanical Properties Tensile Thermal Properties Thermal Expansion Compression Thermal Conductivity K-P Weiss et al IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 102 (2015) Dr. Klaus-Peter Weiss Institute for Technical Physics

12 Design Guidelines / Challenges

13 What to Know at the Design Stage After stress relief process buckling of structures is possible Where to place additional support structures / modeling necessary Avoid powder entrapment at the design stage Round holes may not be round and require post processing Design for flat surfaces and avoid overhanging structural parts Know that thick to thin transitions need special care Avoid sharp corners Always design for all cryogenic operating conditions 13

14 Additive Materials Urgently Needed Info General material characterization for cryogenics is still missing (strength, degradation, fatigue, outgassing, stress relief, porosity, etc.) Revisiting and defining inspection and methods, e.g. CT Repeatable / certifiable properties, porosity control, surface finish Structural repairs of printed structures Thermal cycle testing Metal joining methods (gluing / welding etc.), dissimilar materials Sustainability of materials Creation of new cryogenic superalloys Development of thermal barrier coatings Development of surface structures with high reflectivity 14

15 Thank you

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