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«Fabricación aditiva de metales: algunas
claves del proceso y sus implicaciones en
diseño, materiales y máquinas"
Noviembre 2016
Ámbitos
• Materiales y Procesos
• Tecnologías de unión
• Fabricación aditiva
• Industry 4.0
Datos relevantes www.lortek.es
• 60
• 13
• 4,4 M€
Ubicación
Ordizia, Gipuzkoa
Ámbitos Principales
La fabricación Aditiva en IK4 LORTEK
Primeros pasos en 2004 en la tecnología de LMD:
• Año 2005: incorporación de esta tecnología en máquina de mano de Nicolás Correa, proyecto financiado por el CDTI.
Año 2007, primera instalación de Fabricación Aditiva de Metales en el País Vasco:
• Máquina de SLM: MCP SLM Realizer 250
Año 2014, adquisición de máquina SLM 280HL
EQUIPO Potencia
(W) Producti-
vidad
Tamaño de fabricación (mm) y
volumen (litros) Materiales
MCP SLM Realizer
250
200
Media
250x250x220
13,75
Aleaciones de níquel, aceros (inox, hta.), cobalto-cromo, y
titanio.
SLM 280HL
400
Alta (x2)
280x280x350
27,44
Aleaciones de níquel, aceros (inox, hta.), cobalto-cromo,
titanio y aleaciones de aluminio
Ámbitos Principales
La fabricación Aditiva en IK4 LORTEK
IK4-LORTEK
2004 2006 2014
Índice
• Principios básicos de la tecnología SLM
• Diferencias entre máquinas de SLM
• Parámetros de proceso críticos y optimización de la densidad
Densidad de energía
Características del Polvo
Re-utilización y reciclado del polvo
• Simulación del proceso de fabricación aditiva
• Post-Procesado: HIP y tratamientos superficiales
• Proyectos
• Conclusiones
Índice
Principios básicos de la Fusión Selectiva por Láser (SLM)
Láser
Pieza
Dispensador
Plataforma
Fuente: Leistner
3D-CAD Capeado Aplicación capa
de polvo
Fusión del polvo por medio del láser
Descenso de la plataforma
Extracción pieza
Fundamentos
Máquina
Diferencias entre máquinas de SLM
Año 2014: Se vendieron 540 máquinas de fabricación aditiva de metales (Wohlers)
• Maquinas de PBF / SLM presentan diferencias de comportamiento. • IK4 LORTEK ha realizado un benchmarking
• Calibración de la fuente láser. • Sistema de escaneo y posicionamiento del haz. • Flujo de gas. • Mantenimiento limpieza de componentes: lentes, filtros, etc.
Influencia en la porosidad del sistema de escaneo: diferentes versiones del software del «scanning controller»
Influencia en la porosidad del flujo de gas en la cámara
Parámetros de proceso críticos
Parámetros de proceso críticos y optimización de la densidad
Controlling parameters in SLM process
Material characteristics Process parameters
- Thermal conductivity - Absorption coefficient - Melting point - Coefficient of thermal expansion
Laser Scan Powder Temperature
- Laser power - Spot size - Pulse duration - Pulse frequency
- Scan speed - Hatch spacing - Scan pattern
- Particle size - Particle shape & distribution - Powder bed density - Layer thickness - Material properties
- Powder bed temperature - Powder feeder temperature - Temperature uniformity
Parámetros de proceso críticos
Parámetros de proceso críticos y optimización de la densidad
Los parámetros de proceso principales se pueden describir en el concepto: DENSIDAD de ENERGÍA
E = energy density (J/mm3) P = laser power (W) v = scanning speed (mm/s) h = hatch spacing (mm) t = layer thickness (mm)
E↑↑ Porosity E↓↓ Lack of fusion
Optimisation of process parameters
Aleación de Níquel
Very low scanning speed → long interaction time between laser and powder → high energy density
causing evaporation of powder and porosity
12
Sin “start-stop”
Con “start-stop”
99.42%
99.98% Few pores < 30 μm
Estrategias para disminuir la porosidad residual:
• Ejemplo para un escaneado de tipo ajedrezado
97,0
97,5
98,0
98,5
99,0
99,5
100,0
40 50 60 70 80 90 100
Rel
ati
ve d
ensi
ty (%
)
Energy density (J/mm3)
Without skywriting
With skywriting
Parámetros de proceso críticos
Parámetros de proceso críticos y optimización de la densidad
13
Po
wd
er
1
Po
wd
er 2
Powder 2: Morfología más esférica y contenido menor de satélites
Aleación de Aluminio
ρ = 99.764%
ρ = 99.956%
Parámetros de proceso críticos
Parámetros de proceso críticos y optimización de la densidad
CARACTERÍSTICAS DEL POLVO
Re-utilización y reciclado del polvo ¿cómo afecta a las propiedades del material fabricado?
Virgin PowderFeedstock
Analysis of Powder Sample
SLM Test PartFabrication
1st iteration
Residual PowderSieving & Drying
Powder Storage
nth iteration
Mechanical & Metallurgical Analysis
Mechanical test samples
Metallurgical test samples
60x12x12mm
10x10x10mm
Se han analizado 14 ciclos de reciclado para una aleación de níquel.
Después de cada ciclo de reciclado se ha analizado: -Distribución de tamaño de partícula. -Composición del polvo. -Propiedades mecánicas.
Parámetros de proceso críticos Parámetros de proceso críticos
Parámetros de proceso críticos y optimización de la densidad
10 20 30 40 50 60
5
10
15
20
10 20 30 40 50 60
5
10
15
20
10 20 30 40 50 60
5
10
15
20
Particle Size (μm)
Fre
quency
(%)
0 10 20 30 40 50 60
0
20
40
60
80
100
10 6020 30 40 50 10 6020 30 40 50 10 6020 30 40 50
5
10
15
20
20
0
100
80
60
40
0 10 20 30 40 50 60Particle Size (μm)
Cum
ula
tive
Fre
quency
(%)
100 µm
(a) n = 1
(b) n = 14
(c)n = 1 n = 7 n = 14
n = 1
n = 7
n = 14
Distribución de tamaño de partícula
(a) (b)
Composición del polvo
1 3 5 7 9 11 13
8
9
10
11
12
En
erg
y (
J)
Iteration
Propiedades mecánicas.
Re-utilización y reciclado del polvo ¿cómo afecta a las propiedades del material fabricado?
Parámetros de proceso críticos
Parámetros de proceso críticos y optimización de la densidad
Simulación de Proceso
Simulación del proceso de fabricación aditiva
• Basado en conocimientos de simulación del proceso de soldadura. • Simulaciones rápidas y orientadas al diseño del proceso. • Aplicaciones:
• Predicción y control de distorsiones y tensiones residuales. • Simulación microestructural • Optimización diseño: orientación de la pieza • Diseño de estrategias de soportaje
Diseño de estrategias de soportaje
Material: IN 718 Machine: SLM Solutions 280 HL Number of. specimens: 3x6 3 scan strategies:
1) Chess-board 2) Longitudinal stripes 3) Perpendicular stripes
400 layers
Good correlation between numerical and experimental results
Simulación de Proceso
Simulación del proceso de fabricación aditiva
Material: IN 718 Machine: SLM Solutions 280 HL Stripe angle: 30º
DISEÑO DEL PROCESO DE FABRICACIÓN
Simulación de Proceso
Simulación del proceso de fabricación aditiva
Simulación de Proceso
Simulación del proceso de fabricación aditiva DISEÑO DE LA ESTRATEGIA DE SOPORTAJE
20
Post-Procesado
Post-Procesado: HIP y tratamientos superficiales
Fatigue limit •HIP 920 °C → 480-550 MPa •TT 850 °C → 450-468 MPa
Mejora de las propiedades a fatiga mediante HIP y tratamientos superficiales.
Aleación de Ti: Ti64
Proyectos
Proyectos
MATERIAL IN 718 Ti 64 Ti64, Co-Cr, Hastelloy X
Ti64, Al
OPTIMIZACIÓN PARÁMETROS
X X X
PROPIEDADES MECÁNICA
X X X
POST-PROCESO X
SIMULACIÓN X X X
MÁQUINA X X X
Conclusiones
Conclusiones
• Importancia de características de la máquina: benchmarking, software escaneo y flujo de gas afectan a la porosidad.
• Control de parámetros críticos para garantizar integridad del material: porosidad y agrietamiento. Densidad de energía, características polvo, control de escaneo, grado de reutilización de materia prima.
• Simulación de proceso: herramienta rápida para diseñar proceso de fabricación. Predicción de distorsiones, orientación de la pieza, diseño de soportaje, etc.
• Post proceso para mejorar calidad superficial y propiedades mecánicas, principalmente fatiga.
• Y mucho más: • Monitoring. • Multilaser • Skin-Core Technology • Certificación de proceso • Etc.
Maria San Sebastian Ormazabal Procesos de Unión. Investigador Principal