Design von elastischen Materialeigenschaften mit Selective Laser Melting 17. Anwenderforum Rapid Product Development, 19.
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1 Research Collection Other Conference Item Design von elastischen Materialeigenschaften mit Selective Laser Melting 17. Anwenderforum Rapid Product Development, 19. September 2012 Author(s): Spierings, Adriaan B. Publication Date: 2012 Permanent Link: Rights / License: In Copyright - Non-Commercial Use Permitted This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information please consult the Terms of use. ETH Library
2 Design von elastischen Materialeigenschaften mit Selective Laser Melting 17. Anwenderforum Rapid Product Development September 2012 A.B. Spierings Manager R&D SLM Inspire AG institute for rapid product development irpd St. Gallen, Switzerland 1
3 Agenda Einleitung Wer ist inspire F&E Fokus im Bereich inspire-irpd Was ist Design? Warum Additive Fertigung? Was kann dabei SLM bieten? Materialeigenschaften Erweiterte Designmöglichkeiten mit SLM Inspire-irpd: Strukturell optimiertes Funktions- Bauteil Fazit Was kann SLM bieten? Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 2
4 Wer ist inspire? INSPIRE Strategischer Partner der ETHZ inspire ist ein hochschulnahes Kompetenzzentrum für die Schweizer Maschinenindustrie. Es betreibt Forschung für die Industrie und löst Probleme in allen Wissensgebieten. Methoden, Prozesse und Technologien inspire macht sie anwendungsreif. inspire ist eine gemeinsame Initiative von Swissmem, der Eidg. Technischen Hochschule Zürich (ETH) und des Bundesamtes für Berufsbildung und Technologie (BBT). inspire irpd - Ein Gemeinschaftsprojekt mit der FH St.Gallen
5 Who is inspire? Locations ETH Zurich, Headquaters Empa St.Gallen Technopark Zurich Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 4
6 Fields of activity 5
7 Inspire -irpd? Fokus auf Additive Fertigungsverfahren seit insb. SLS, SLM 6
8 Organisation R&D - Material- & Prozessentwicklung für SLS / SLM - Medical manufacturing & engineering - Ausbildung: PhD, Studentenprojekte Services / production - Produktion (RP, AM) mit SLS, SLM, 3DP - Reverse Engineering / Konstruktion - Consulting - Projekte (Industrie, EU, CTI, ) 7
9 F&E Fokus im Bereich inspire-irpd Materialien SLM Prozessparameter für neue Pulver Charakterisierung von SLM Materialien (Statisch, Dynamisch, Mikrostruktur, ) Entwicklung neuer Materialien / Legierungen MMC / Pulver-Mischungen, Materialien Prozess Reduktion interner Spannungen & Risse Optimierung von Materialeigenschaften Simulation des SLM-Schweissprozesses Anwend ungen Prozess Anwendungen Leichtbau-Strukturen Funktions-optimierte Bauteile Anlagentechnik Anlagentechnik Untersuchungen & Studien zu neuen SLM-Anlagenkonzepten Optimierung der Gesamtproduktivität Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 8
10 Was ist Design? Design BMW concept-car GINA (C. Bangle) BMC Fahrrad-Vorbau, topologieoptimiert Dampfmaschine Blüemlisalp Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 9
11 Was ist Design? Ästhetische Funktionen - Es soll «schön» sein Design Praktische Funktionen - Bessere «Leistungsfähigkeit» - Funktions-Integration - Handhabung / Ergonomie Technische Funktionen - (spezifische) Festigkeit - Gewicht / Leichtbau - Spannungsverlauf - Materialien Wirtschaftliche Funktionen - Preis-Leistung muss stimmen Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 10
12 Was ist Design? Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 11
13 Warum Additive Fertigung? Je mehr Anforderungen berücksichtigt werden sollen, desto höher wird i.r. die Komplexität der Teile insb. im technischen Bereich. Leichtbau Funktionsintegration Topologie-Optimierung desto höher werden die Anforderungen an Materialien Prozesse Qualität Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 12
14 Warum Additive Fertigung? «Complexity for free» Dabei eignen sich SLS (Kunststoff) und SLM (Metalle) für das Additive Manufacturing ( Prototyping!) am besten. Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 13
15 Was kann dabei SLM bieten? Fertigung komplexer Bauteile Inspire-irpd: Spongiosa Gitter Funktionsteile Mischer-Elemente Funktionsteile Komplexe Teile mit hoher Funktionsintegration Prototypen für med. Implantate (Titan) Funktionsteile Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 14
16 Erweiterte Designmöglichkeiten mit SLM Fertigung komplexer Bauteile Additive Technologies (e.g. SLM) Additive: «Freedom of design» Extrem komplexe Bauteile Struktur-Optimierung Urform-Verfahren «Herstellung» des eigentlichen Materials durch den Fertigungsprozess Beeinflussung von Materialeigenschaften - Porosität - Mechan. Eigenschaften Strukturell & mechanisch optimierte Teile Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 15
17 Erweiterte Designmöglichkeiten mit SLM Design von Materialeigenschaften über die Steuerung der Porosität untersucht am Beispiel des härtbaren Edelstahls / 17-4PH Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 16
18 Materials & methods Aim: Freedom of design Prozessparameter Mikrostruktur Mechan. Eigenschaften Mechanically Mech. opt. Materialverhalten optimized parts AM: AM:! Machines & Materials Maschine: Laser power up to 200W Material: SS 17-4PH ConceptLaser M2 Bekannter Edelstahl, weit verbreitet Härtbar bis 42HRC Statisch und dynamisch mechn. Eigenschaften wurden SFF 2010 Powder: D µm Fig. 2: SLM machine Concept Inspire-irpd Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 17
19 Materials & methods Prozessparameter Mikrostruktur Mechan. Eigenschaften DOE setup: Full factorial design Processing parameters: 5 factors with 2 levels each 1. P Laser (W) 105 & v scan ( mm / s ) 800 & Layer thickness: (µm) 30 & Build direction: Vertical (90 ) & horizontal (0 ) 5. Heat teatment: without / with Fix : Hatch distance: mm (35% overlap) 3 Proben für jede Kombination 96 Proben Produktion von Rohlingen für Zugstäbe Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 18
20 Materials & methods Proben Mechanisch auf die geforderte Endgeometrie gedreht (DIN B4x20) Analysen Materialdichte Archimedische Methode / optisch an separaten Probekörpern Mikrostruktur Poren, Porenverteilung, Gefüge Härte HB-2.5 / 62.5 Mechanische Tests ZWICK type 1484 Pre-load: 20 MPa Speed: 10-3 s -1 E-Modulus, R p0.2 (u.a. R m, A) Fig. 3: links: ZWICK 1484; rechts: Rohling und gedrehter Zugstab Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 19
21 Resultate Mikrostruktur / Porosität Dichtebereich high: 99.9% low: 73.9% Prozessparameter beeinflussen die Porosität signifikant Porengrösse Bei geringem Energie-Eintrag (geringe Leistung, hohe Scangeschw.) grosse Poren Balling phenomena: Pores begin to be interconnected Fig. 4: Cross-sections showing porosity upper : P Laser = 190W, v Scan = 800 mm / s, t Layer = 30µm, lower: P Laser = 190W, v Scan = 1300 mm / s, t Layer = 50µm Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 20
22 Erweiterte Designmöglichkeiten mit SLM Material Dichte & Energiedichte Die Materialdichte ist eine direkte Funktion des Energie-Eintrages: E density= v scan Laser h Layer - P laser Laserpower (W) - v scan Scan speed (mm/s) - h s Hatch distance (mm) - t Layer Layer thickness (mm) P s t Materialdichte ist vorhersagbar Dies ermöglicht die Wahl geeigneter Prozessparameter für eine gewisse Zieldichte Abhängigkeit der Materialdichte vom Energieeintrag Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 21
23 Erweiterte Designmöglichkeiten mit SLM Design von Materialeigenschaften: z.b. E-Modul Prozessparameter Porosität EP= EM 2 (1 P) R P+ (1 P) R Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 22
24 Erweiterte Designmöglichkeiten mit SLM Design von Materialeigenschaften: z.b. E-Modul Prozessparameter Porosität Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 23
25 Erweiterte Designmöglichkeiten mit SLM Definition eines Designraumes aus E-Modul Härte R p0.2 Correlation between hardness, Yield strength and E-modulus Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 24
26 Example Einseitig eingespannter Balken Dimension: L x W x H = 85 mm x 4 mm x 2.5 mm I z = 5 mm 3 Material: 17-4PH - gehärtet Last 9.8N (1 kg) Elastische Durchbiegung: 3 P L d= 3 E I Z cantilever Keine Durchbiegung ohne Last E = 199 GPa Elastische Biegung - berechnet: 1.9 mm - gemessen: 1.8 mm E = 99.2 GPa Elastische Biegung - berechnet: 3.9 mm - gemessen: 4.3 mm Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 25
27 Fazit: Was kann SLM bieten? Optionen Konventionell «Dicht»: - 1 Set von Prozessparametern I.R. dichte und steife Teile Lokales designen des Materials: - n Set von Prozessparametern in 1 Teil Lokale Material-Optimierung «Complexity for free»: - 1 Set von Prozessparameter Strukturelle Optimierung Material global designen - 2 Set von Prozessparametern Core-shell design Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 26
28 Besten Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fragen? Spierings, Adriaan 01/2012 inspire AG 27
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