Stand der Technik und Eigenschaften typischer SLM-Materialien

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1 Medical irpd April 2010 Stand der Technik und Eigenschaften typischer SLM-Materialien M.Sc. ETH A. B. Spierings Inspire AG - Institute for Rapid Product Development (irpd) St. Gallen, Switzerland inspire irpd a joint project with FHS St.Gallen 1 1

2 Agenda Allgemeiner Hintergrund Typische SLM-Materialien im medizinaltechnischen Umfeld Materialeigenschaften SLM - Entwicklungsthemen Agenda inspire irpd a joint project with FHS St.Gallen 2 2

3 Entwicklung generativer Verfahren Markt / Anstoss Idee Vorprojekt Entwicklung Produktion Concept Modelling Rapid Prototyping Rapid Manufacturing Hintergrund Irpd: Fokussierung auf SLS, SLM Stand der Technik In Entwicklung / Trend inspire irpd a joint project with FHS St.Gallen 3 3

4 Pulverbett basierte Verfahren SLS & SLM Das Selective Laser Sintering / -Melting Schichtweiser Aufbau von dreidimensionalen Bauteilen Layer by Layer Scanning mirror LASER beam Optik LASER - Pulvermaterial - Kunststoffe - Metalle - Typ. Schichtdicken: - SLS: 0.1 mm - SLM: 0.03mm Hintergrund LASER sintered Part fixed in powder Part Zylinder Powder container Roller for new powder - Laserquelle: -SLS: CO 2 - SLM: ND-YAG inspire irpd a joint project with FHS St.Gallen 4 4

5 SLM Technologie Die Herstellung metallischer Bauteile eröffnet neue Anwendungsfelder, da: I.R. gute Eigenschaften jedoch SLM-spezifische Charakteristiken Festigkeit Dehnfähigkeit Dynamisches Verhalten Mikrostruktur Potential für verschiedene Anwendungsfelder Medizinaltechnik: Instrumente / Implantate Luft- und Raumfahrt: Leichtbau Maschinenbau: allg. Funktionsteile Hintergrund Fazit: SLM ist eine aussichtsreiche Technologie für spezifische Anwendungen inspire irpd a joint project with FHS St.Gallen 5 5

6 Anwendungsbereiche für SLM - Funktionsbauteile - Instrumente Implantate Praktisch 100% dicht: Voll belastbar direkt für den End-Einsatz verwendbar Beispiele inspire irpd a joint project with FHS St.Gallen 6 6

7 Anwendungsbereiche für SLM - Extremer Leichtbau Identische Geometrie Ohne Aussenhaut Mit Aussenhaut Beispiele Möglichkeiten der Anwendung - Leichtere Instrumente - einfacheres Handling - weniger Gewicht (Lagerung, Transport, ) - funktionsoptimierte Teile - inspire irpd a joint project with FHS St.Gallen 7 7

8 Anwendungsbereiche für SLM - Beispiel Beispiele inspire irpd a joint project with FHS St.Gallen 8 8

9 Agenda Allgemeiner Hintergrund Typische SLM-Materialien im medizinaltechnischen Umfeld Materialeigenschaften SLM - Entwicklungsthemen Agenda inspire irpd a joint project with FHS St.Gallen 9 9

10 Auswahl an SLM irpd Material Bemerkungen Relevanz Medizinaltechnik vergleichbar zu Instrumente härtbar Instrumente - - CoCr28Mo6 ASTM F799, ASTM F1537 Implantate - TiAl6V4 u.a. Grades Implantate Leichtbau - Edelstähle - Aluminium AlSi12, AlSi10Mg, u.a. Materialien Maschinenbau - INCONEL IN718 u.a. Turbinenbau - Edelstähle , , , div. - Arbeitsstähle Werkzeugbau inspire irpd a joint project with FHS St.Gallen 10 10

11 Agenda Allgemeiner Hintergrund Typische SLM-Materialien im medizinaltechnischen Umfeld Materialeigenschaften SLM - Entwicklungsthemen Agenda inspire irpd a joint project with FHS St.Gallen 11 11

12 Typische Eigenheiten von SLM-Bauteilen Statische Festigkeit Material ( DIN ) CoCr28Mo6 900 Edelstahl Yield point R P0.2 [MPa] Tensile strength R m [MPa] Elongation at break [%] Hardness 1 HRC Surface quality 2 Ra [µm] ~ > 700 > 1080 > 5 6 % [MPa] [%] Materialien Part density 3 [%] 99.5% 99.5% Fazit Hohe Festigkeit, vergleichbar mit Standardmaterial Das Pulvermaterial hat einen erheblichen Einfluss (Granulometrie) inspire irpd a joint project with FHS St.Gallen 12 12

13 Typische Eigenheiten von SLM-Bauteilen Materialien sind in den mechanischen Eigenschaften weitgehend vergleichbar mit konventionell bearbeiteten Materialien. - Der Schichtaufbau führt zu einer gewissen Anisotropie im Bereich von 5% bis max. 15%. - Die etwas rauhere SLM Oberfläche reduziert die statische Festigkeit zwar signifikant, jedoch nur um wenige %. 800 Tensile Strength stainless steel - SLM Slice Thickness 30 um F 90 orientation Eigenschaften M F Rm [MPa] Literature 45 orientation degree 45 degree 90 degree F F F 0 orientation F inspire irpd a joint project with FHS St.Gallen 13 13

14 Typische Eigenheiten von SLM-Bauteilen Porosität Porosität: pulverbett-basiertes Verfahren Zielwert Dichte: > 99%, typisch 99.5% nahezu 100% ist jedoch möglich Porengrösse: μm gasdicht Dichten einstellbar 60% 100% Density stainless steel 316L 45um Eigenschaften 100.0% 99.0% 98.0% Stainless steel316l, irpd TiAl6V4, irpd density 97.0% 96.0% 95.0% 94.0% 93.0% 92.0% Energy density (J/mm 3 ) inspire irpd a joint project with FHS St.Gallen 14 14

15 Typische Eigenheiten von SLM-Bauteilen Mikrostruktur Mikrostruktur SLM führt zu sehr hohen Abkühlgradienten sehr feinkörnig: typ. Korngrössen μm Insg. homogener Materialaufbau in der Ebene, z.t. sind Stengelkristallite vorhanden Eigenschaften Stainless steel 316L, irpd TiAl6V4, no heat treatment, irpd TiAl6V4, heat treatment, irpd inspire irpd a joint project with FHS St.Gallen 15 15

16 Typische Eigenheiten von SLM-Bauteilen Dynamisches Verhalten Ein bislang zu wenig untersuchter Bereich Irpd investiert deshalb insb. in die Untersuchung des dyn. Verhaltens Edelstahl Resultate vorhanden Inconel 718 `` Edelstahl 316L Titan In irpd Fazit Relativ hohe Schwingzahlen möglich, jedoch bei wesentlich tieferen Lasten Dauerschwingbereich vorhanden Anisotropie & Porosität wirken sich negativ aus Spannungsamplitude [MPa] 1' k = 7.69 Bruch liegend, bearb. Bruch stehend, bearb. Bruch, stehend roh Durchläufer liegend, bearb Durchläufer stehend, bearb. Durchläufer, stehend roh Zusammenstellung Wöhlerkennlinien _QT800 k = 4.97 k = '000 10' '000 1'000'000 10'000'000 Schwingspielzahl [-] N D Eigenschaften inspire irpd a joint project with FHS St.Gallen 16 16

17 Typische Eigenheiten von SLM-Bauteilen Eigenspannungen im Material Folgen: Gefahr der Ausbildung von Warm- / Kaltrissen - Insb. für: Titan, höher legierte Stähle, gewisse Ni-basierte Materialien Massnahmen 1. Auswahl an geeigneteren Materialien 2. Anpassung der Bauteilgeometrien Reduktion der Spannungskonzentration Eigenschaften Anlagentechnik Bauraumheizung (abh. von Anlagentechnik) Prozessoptimierungen (irpd) inspire irpd a joint project with FHS St.Gallen 17 17

18 Agenda Allgemeiner Hintergrund Typische SLM-Materialien im medizinaltechnischen Umfeld Materialeigenschaften SLM - Entwicklungsthemen Agenda inspire irpd a joint project with FHS St.Gallen 18 18

19 irpd Ausdehnung Material-Vielfalt: Entwicklung von Materialien Gemäss Anforderungen im Markt Zus. Standard Materialien Neue Materialien für spezifische Anwendungen Medizinaltechnische Materialien für Instrumente / Implantate MMC u.a. Ausbau Pulver-KnowHow Verbesserung der Bauteiloberflächen / Qualität Optimierung Prozess-Produktivität 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% Cumulative size frequency 316L - Type 1 316L - Type 2 316L - Type 3 0% particle diameter (um) Entwicklungsfelder inspire irpd a joint project with FHS St.Gallen 19 19

20 irpd Materialkenntnisse SLM-spez. Eigenschaften Ausbau der Kenntnisse über statisches und dynamisches Verhalten von SLM Materialien (Wöhlerkurven) Mikrostruktur Therm. Nachbehandlungen Reduktion der Anisotropie Entwicklungsfelder inspire irpd a joint project with FHS St.Gallen 20 20

21 irpd Anlagenoptimierung Verbesserung von Anlage + Prozess Reduktion der Eigenspannungen im Material, möglichst ohne thermische Einrichtungen Massnahmen Optimierung Scan-Strategie Verbesserung der Prozesstechnik Verbesserung der Bauteiloberflächen Einflussnahme auf Scanstrategie `` Pulver Entwicklungsfelder Entwicklung Versuchsanlage inspire irpd a joint project with FHS St.Gallen 21 21

22 Unterstützung tzung von Standardisierungs - Bestrebungen ASTM initiative F42 Subcommittees: Test methods Processes Materials Design Terminology Methods for density, strength, anisotropy, System descriptions, calibration, energy sources and delivery systems, Specifications for materials: MFI, grain size distributions,, general requirements, guaranteed properties, ASTM Design requirements and restrictions for different processes Many open questions for additive manufacturing systems have to be answered! inspire irpd a joint project with FHS St.Gallen 22 22