Additive Fertigung mit (316L): Prozess- und Charakterisierungsergebnisse

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1 Fachapéro Fachgruppe Mechanik & Industrie ETH Zürich 30. September 2014 Additive Fertigung mit (316L): Prozess- und Charakterisierungsergebnisse Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung ( ) Andreas Kirchheim (andreas.kirchheim@zhaw.ch) Livia Zumofen, Marco Gerig Additive Manufacturing - ZPP 1

2 Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP) Lehre und Forschung & Entwicklung Innovation Playground and Development (Produktentwicklung) 3D Experience (CAx-Prozesse, Auslegung und Simulation von Fertigungsprozessen) Advanced Production Technology (Additive Fertigung, 3D Printing, 5-Achsen Simultanfräsen, Fertigungsmesstechnik) Additive Manufacturing - ZPP 2

3 Inhalt Einleitung AM Prozess- und Werkstoffparameter Anforderungen an additiv gefertigte Bauteile Korrelierende werkstofftechnische Untersuchungen Ergebnisse Zusammenfassung Additive Manufacturing - ZPP 3

4 Warum Additive Fertigung? Freiheit im Design und Konstruktion Komplexität kostet nichts Massenreduktion im Design (Leichtbau) Integration von Bauteilen und Funktionen Verkürzung der Entwicklungszeit durch hohe Flexibilität (Rapid Prototyping) Lieferzeitverkürzung durch optimierte Wertschöpfungskette Additive Manufacturing - ZPP 4

5 Additive Fertigung Selective Laser Melting (SLM) Konstruktion Bauteil (3D CAD Modell) [Video] CAD Modell in Einzelschichten zerlegen Selektives Laserschmelzen Nachbehandlung (Reinigen, Sandstrahlen, Schleifen, Fräsen etc.) Fertiges Bauteil Additive Manufacturing - ZPP 5

6 Anforderungen an additiv gefertigte Bauteile Beispiele Hoch belastete Strukturen Fahrzeugbau Dental Ventilgehäuse im Behälterbau/Kryotechnik Medizinaltechnik Leichtbau / Luftfahrt Additive Manufacturing - ZPP 6

7 Additive Fertigung Selective Laser Melting (SLM) Verfahrensprinzip Schichtweiser Aufbau»von unten nach oben«(hinzufügen) etc. Auftragen einer Schicht Metallpulver Lokales Verfestigen des Materials, Verschmelzen der Pulverpartikel mittels Laser Absenken der Bauteilplattform und Auftragen der folgenden Materialschicht Supportstrukturen (thermische Senke) Bildquelle: VDI 3404 Metallpulver Werkzeug- und Vergütungsstähle Ti-, Al-, Ni-, Co-Basislegierungen Charakteristika Hoher Volumenanteil (> 99%) Additive Manufacturing - ZPP 7

8 SLM-Parameter beeinflussen Gefügestruktur und Oberflächenbeschaffenheit Laserschmelzprozess Punktabstand p Belichtungszeit t Belichtungsgeschwindigkeit v S,F (t, p) Linienabstand h S Schichtdicke s (µm) Belichtungsstrategien Brennfleckgeometrie (Fokus) Laserleistung P L Vorheizung Arbeitsraum (> 100 C) Werkstoffparameter Grundwerkstoff Partikelform und grösse Pulverzusammensetzung, Additive. p P L Bauteilorientierung im Arbeitsraum Additive Manufacturing - ZPP 8

9 Bauteilorientierung im Arbeitsraum Einfluss auf mechanische Eigenschaften Additive Manufacturing - ZPP 9

10 Fertigungsprozess bestimmen Werkstoff- und Bauteileigenschaften Fertigungsprozess Konventionell Grundmaterial (z.b. gezogener Rundstahl, gewalztes Blech) Spanende Bearbeitung Nachbehandlung Additiv Metallisches Pulver Selektives Laserschmelzen z.t. spanende Nachbearbeitung Nachbehandlung Werkstoff-/Bauteileigenschaften Volumengehalt Statische mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit E-Modul Streckgrenze Beständigkeit gegen bersten Dynamische mechanische Eigenschaften Ermüdungsverhalten Zerspanbarkeit Oberfläche Korrosionsbeständigkeit Homogenität Fertigungsfehler Dichtheit Additive Manufacturing - ZPP 10

11 Materialdatenblatt: Fertigungsprozess bestimmen Werkstoff- und Bauteileigenschaften q.e.d. Quod esset demonstrandum! Additive Manufacturing - ZPP 11

12 Parameteroptimierung Vorgehen - Testmatrix Testmatrix: A-H: Belichtungszeit z.b µs 1-4: Punktabstand z.b µm Additive Manufacturing - ZPP 12

13 Bestimmung des Volumengehalts Additive Manufacturing - ZPP 14

14 Zugprüfung nach DIN SLM vs. Stangenmaterial Spannung [MPa] Dehnung [%] Spannungs-Dehnungs Diagramm SLM Schliffbild Zugprobe Nr. 1 (Volumengehalt 99.9 %) Zugfestigkeit Bruchdehnung Streckgrenze [MPa] [%] [MPa] ZPP Dezember 2013 Strahlgeschmolzen gem. Concept Laser Stangenmaterial gem. Stahlschlüssel üblich: 660 üblich: 48 Üblich: 360 Additive Manufacturing - ZPP 16

15 Ermüdungsuntersuchung Umlaufbiegeversuch DIN Vergleich des Ermüdungsverhaltens von rostfreiem Stahl Stangenmaterial mit SLM bearbeitetem Material. Additive Manufacturing - ZPP 19

16 Messungen der Oberfläche von SLM Bauteilen Messbereich Messmethode D 90 B 90 F 90 E 135 Testobjekt Material Korngrösse < 63 µm Kufen-Tastersystem Additive Manufacturing - ZPP 21

17 Nachbehandlung Oberfläche unbehandelt sandgestrahlt elektropoliert trowalisiert verchromt (sandgestrahlt) R a_0 6 µm R a_90 12 µm R a_45 13 µm R a_ µm R a_0 3 µm R a_90 4 µm R a_45 4 µm R a_135 7 µm R a_0 5 µm R a_90 7 µm R a_45 6 µm R a_ µm R a_0 3 µm R a_90 4 µm R a_45 7 µm R a_ µm R a_0 3 µm R a_90 3 µm R a_45 4 µm R a_135 5 µm Additive Manufacturing - ZPP 22

18 Pulver Korngrössenverteilung Mikroskopische Untersuchung Pulver neu Pulver gefiltert, Nutzdauer: ca. 1.5 Jahre Additive Manufacturing - ZPP 23

19 Zerspanbarkeit Cutting tests 316L turning cylindrical work piece 15 mm cutting force dynamometer Additive Manufacturing - ZPP 29

20 Zerspanbarkeit Cutting tests 316L turning 1. Schnitt 2. Schnitt Probes: l = 20 mm, diameter = 15 mm Material: 316L (Low Density Material) Additive Manufacturing - ZPP 30

21 Zusammenfassung Additive vs. konventionelle Fertigung Statische mechanische Eigenschaften vergleichbar dynamische mechanische Eigenschaften etwas schlechter (ähnlich Guss, weitere Untersuchungen notwendig) Volumengehalt > 99,5% Grössere Werte der Oberflächenrauigkeit Vergrösserung des mittleren Partikeldurchmessers des Pulvers mit zunehmender Nutzung (Einfluss des Pulvers Gegenstand zukünftiger Forschung) Dynamische Zerspankräfte aufgrund rauer Oberfläche etwas erhöht, statische Kraft vergleichbar Berst- und Dichtigkeits-Resultate lässt Einsatz in Behälterbau und Kryotechnik zu Additive Manufacturing - ZPP 31

22 Anwendungsbeispiele Additive Manufacturing - ZPP 32

23 Anwendungsbeispiele Werkzeugstahl, Titan Additive Manufacturing - ZPP 33

24 Additive Manufacturing - ZPP 34