Additive Manufacturing - ZPP 1
Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (www.zhaw.ch/zpp ) Andreas Kirchheim ([email protected]) Livia Zumofen, Marco Gehrig
Additive Fertigung mit 1.4404 (316L): Prozess- und Charakterisierungsergebnisse
Fachapéro Fachgruppe Mechanik & Industrie ETH Zürich 30. September 2014
Additive Manufacturing - ZPP 2
Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP) Lehre und Forschung & Entwicklung
(CAx-Prozesse, Auslegung und Simulation von Fertigungsprozessen)
3D Experience Advanced Production Technology (Additive Fertigung, 3D Printing, 5-Achsen Simultanfräsen, Fertigungsmesstechnik)
www.zhaw.ch/zpp
Innovation Playground and Development (Produktentwicklung)
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Inhalt
Einleitung AM Prozess- und Werkstoffparameter Anforderungen an additiv gefertigte Bauteile Korrelierende werkstofftechnische Untersuchungen Ergebnisse Zusammenfassung
Additive Manufacturing - ZPP 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 5
Konstruktion Bauteil (3D CAD Modell)
[Video]
CAD Modell in Einzelschichten zerlegen
Selektives Laserschmelzen
Fertiges Bauteil
Nachbehandlung (Reinigen, Sandstrahlen,
Schleifen, Fräsen etc.)
Additive Fertigung Selective Laser Melting (SLM)
Additive Manufacturing - ZPP 6
Anforderungen an additiv gefertigte Bauteile
Beispiele
Ventilgehäuse im Behälterbau/Kryotechnik
Hoch belastete Strukturen
Leichtbau / Luftfahrt
Medizinaltechnik
Dental
Fahrzeugbau
Additive Manufacturing - ZPP 7
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 Fertigung Selective Laser Melting (SLM)
Additive Manufacturing - ZPP 8
Laserschmelzprozess
Punktabstand p
Belichtungszeit t
Belichtungsgeschwindigkeit vS ,F (t, p)
Linienabstand hS
Schichtdicke s (µm)
Belichtungsstrategien
Brennfleckgeometrie (Fokus)
Laserleistung PL
Vorheizung Arbeitsraum (> 100 °C)
Werkstoffparameter
Grundwerkstoff
Partikelform und –grösse
Pulverzusammensetzung, Additive….
SLM-Parameter beeinflussen Gefügestruktur und Oberflächenbeschaffenheit
PL p
Bauteilorientierung im Arbeitsraum
Additive Manufacturing - ZPP 9
Bauteilorientierung im Arbeitsraum Einfluss auf mechanische Eigenschaften
Additive Manufacturing - ZPP 10
Konventionell
Grundmaterial (z.B. gezogener Rundstahl, gewalztes Blech)
Spanende Bearbeitung Nachbehandlung
Additiv
Metallisches Pulver Selektives Laserschmelzen z.T. spanende Nachbearbeitung Nachbehandlung
Fertigungsprozess bestimmen Werkstoff- und Bauteileigenschaften
Volumengehalt Statische mechanische
Eigenschaften – Zugfestigkeit – E-Modul – Streckgrenze – Beständigkeit gegen bersten
Dynamische mechanische Eigenschaften – Ermüdungsverhalten
Zerspanbarkeit Oberfläche Korrosionsbeständigkeit Homogenität Fertigungsfehler Dichtheit
Fertigungsprozess Werkstoff-/Bauteileigenschaften
Additive Manufacturing - ZPP 11
Materialdatenblatt: 1.4404 Fertigungsprozess bestimmen Werkstoff- und Bauteileigenschaften
q.e.d. Quod esset demonstrandum!
Additive Manufacturing - ZPP 12
Testmatrix: A-H: Belichtungszeit z.B. 10-115 µs 1-4: Punktabstand z.B. 10-70 µm
Parameteroptimierung Vorgehen - Testmatrix
Additive Manufacturing - ZPP 14
Bestimmung des Volumengehalts
Additive Manufacturing - ZPP 16
Zugprüfung 1.4404 nach DIN 50 125 SLM vs. Stangenmaterial
Schliffbild Zugprobe Nr. 1 (Volumengehalt 99.9 %)
Zugfestigkeit Bruchdehnung Streckgrenze [MPa] [%] [MPa]
ZPP 626 43 570 Dezember 2013 Strahlgeschmolzen 650 25 495 gem. Concept Laser Stangenmaterial 500-700 ≥ 40 ≥ 200 gem. Stahlschlüssel üblich: 660 üblich: 48 Üblich: 360
0
100
200
300
400
500
600
700
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Span
nung
[MPa
]
Dehnung [%]
2
3
4
5
Spannungs-Dehnungs Diagramm SLM 1.4404.
Additive Manufacturing - ZPP 19
Ermüdungsuntersuchung 1.4404
Vergleich des Ermüdungsverhaltens von rostfreiem Stahl 1.4404 Stangenmaterial mit SLM bearbeitetem Material.
Umlaufbiegeversuch DIN 50113
Additive Manufacturing - ZPP 21
Messungen der Oberfläche von SLM Bauteilen
D90°
E135°
B90° F90°
Messbereich Messmethode
Testobjekt Material 1.4404 Korngrösse < 63 µm
Kufen-Tastersystem
Additive Manufacturing - ZPP 22
Nachbehandlung Oberfläche
elektropoliert
Ra_0° ≈ 5 µm Ra_90° ≈ 7 µm Ra_45° ≈ 6 µm Ra_135° ≈ 14 µm
trowalisiert
Ra_0° ≈ 3 µm Ra_90° ≈ 4 µm Ra_45° ≈ 7 µm Ra_135° ≈ 10 µm
verchromt (sandgestrahlt)
Ra_0° ≈ 3 µm Ra_90° ≈ 3 µm Ra_45° ≈ 4 µm Ra_135° ≈ 5 µm
unbehandelt
Ra_0° ≈ 6 µm Ra_90° ≈ 12 µm Ra_45° ≈ 13 µm Ra_135° ≈ 15 µm
sandgestrahlt
Ra_0° ≈ 3 µm Ra_90° ≈ 4 µm Ra_45° ≈ 4 µm Ra_135° ≈ 7 µm
Additive Manufacturing - ZPP 23
Pulver
Korngrössenverteilung Mikroskopische Untersuchung
Pulver 1.4404 gefiltert, Nutzdauer: ca. 1.5 Jahre
Pulver 1.4404 neu
Additive Manufacturing - ZPP 29
Zerspanbarkeit Cutting tests 316L turning
cutting force dynamometer cylindrical work piece ∅ 15 mm
Additive Manufacturing - ZPP 30
Zerspanbarkeit Cutting tests 316L turning
Probes: l = 20 mm, diameter = 15 mm Material: 316L (Low Density Material)
1. Schnitt 2. Schnitt
Additive Manufacturing - ZPP 31
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
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Anwendungsbeispiele 1.4404
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Anwendungsbeispiele Werkzeugstahl, Titan
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