Lasertekniikan mahdollisuudet uusien materiaalien ja rakenteiden valmistamisessa

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "Lasertekniikan mahdollisuudet uusien materiaalien ja rakenteiden valmistamisessa"

Tapani Tamminen
6 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 Lasertekniikan mahdollisuudet uusien materiaalien ja rakenteiden valmistamisessa Jari Tuominen Tampereen teknillinen yliopisto Materiaaliopinlaitos Laser Application Laboratory

2 Esityksen sisältö: Laseravusteiset pikavalmistusmenetelmät - prosessien kuvaus (sintraus, sulatus) - state of the art (tutkimuslaitokset, yritykset) - potentiaaliset sovelluskohteet - komponenttien ominaisuudet (mikrorakenne, mekaaniset ominaisuudet, korroosionkestävyys) - edut, rajoitukset

3 Laseravusteiset pikavalmistusmenetelmät on sekoitus: - lasertekniikkaa - tietokoneavusteista suunnittelua (CAD) - tietokoneavusteista valmistusta (CAM) - prosessin hallintaa ja monitorointia - pulverimetallurgiaa

4 Pikavalmistusmenetelmät I: Jauhemaisten lähtöaineiden sintraus laserilla - SLS; Selective Laser Sintering, DTM Corporation (USA) - DMF; Direct Metal Fabrication, Rockwell Scientific (USA) - DMLS; Direct Metal Laser Sintering, EOS (GER), RPI Oy (FIN) - Lasersintrauksessa metalli/keraamijauheet päällystetään org. sideaineella (SLS, DMF) - Lasersäde scannaa jauhepetiä - Metalli/keraami ei sula, ainoastaan sideaine sulaa - Sintrausmenetelmällä valmistetut komponentit ovat huokoisia (30%) -> HIP - DMLS:ssä sideaineena matalan sulamispisteen omaava metalli - Hienojen jauheiden käyttö ja kerrospaksuuden pienennys (20 um) parantaa pinnan laatua ja vähentää huokoisuutta tasolle 5%

DMF; Direct Metal Fabrication, Rockwell Scientific Company - 60 100 W -

5 DMF; Direct Metal Fabrication, Rockwell Scientific Company W - valmistusaika 72 h - Fe, SS - työkaluteräkset - Ni-superseokset - Cu-seokset

6 DMLS; Direct Metal Laser Sintering, Electro Optical Systems Finland Oy

7 Pikavalmistusmenetelmät II: Jauhemaisten lähtöaineiden sulatus laserilla - LENS; Laser Engineered Net Shaping, Optomec (USA) - DMD; Direct Metal Deposition, Univ. of Michigan, POM (USA) - LAM; Laser Additive Manufacturing, AeroMet Corp. (USA) - Free-Form Laser Consolidation, IMTI NRCC (CAN) - DLF; Direct Light Fabrication, Los Alamos National Lab. (USA) - DMC; Direct Metal Casting, Univ. of Liverpool (UK) - CMB; Controlled Metal Buildup, Fraunhofer IPT (GER) - BPP; Blown Powder Processing, Vienna University of Technology (AUT) - SLC; Selective Laser Cladding, National Taiwan University of Sc. and Tech. - SLM; Selective Laser Melting, Osaka University (JPN) - LDM; Laser Direct Manufacturing, Tsinghua University (CHN)

Prosessin kuvaus - 3D-komponenttien laseravusteinen valmistus suoraan CAD-mallista - lasersäde sulattaa polttotäplään injektoidun metallijauheen - komponentti valmistuu kerroksittain

8 Prosessin kuvaus - 3D-komponenttien laseravusteinen valmistus suoraan CAD-mallista - lasersäde sulattaa polttotäplään injektoidun metallijauheen - komponentti valmistuu kerroksittain materiaalia lisäämällä - komponentin mittatarkkuus ja mahdollinen jälkityöstön määrä riippuu käytettävissä olevista laitteista (laser, pinnoituspää, prosessin reaaliaikainen säätö jne.)

9 Fraunhofer IWS, Dresden

LENS; Laser Engineered Net Shaping, Optomec Design Company - 1 kw diodipumpattu Nd:YAG (cw), 2.4 kw CO2-4 jauheensyöttösuppiloa - Ø = 0.5 0.

10 LENS; Laser Engineered Net Shaping, Optomec Design Company - 1 kw diodipumpattu Nd:YAG (cw), 2.4 kw CO2-4 jauheensyöttösuppiloa - Ø = mm - kerrospaksuus mm - kaupallistunein pikavalmistusmenetelmä - ensimmäinen laitetoimitus NASA, US Army, 3M, Lockheed Martin, Rolls Royce - SS, Cu-, Ni-, Ti-seokset

11 LENS; Laser Engineered Net Shaping, Optomec Design Company LENS-menetelmällä valmistettu lonkkaimplantti titaanista

12 LENS; Laser Engineered Net Shaping, Optomec Design Company

Direct metal deposition by POM - 2 ja 6 kw CO2 cw - 0.7 1.4 kw, 4 11 g/min, 500-1500 mm/min - kerrospaksuus 0.254 mm, Ø = 0.

13 Direct metal deposition by POM - 2 ja 6 kw CO2 cw kw, 4 11 g/min, mm/min - kerrospaksuus mm, Ø = 0.7 mm - jauheenkäytön hyötysuhde 30 % - etäisyyden ja lämpötilan mittaus - reaaliaikainen parametrien säätö mittatarkkuuden parantamiseksi, jäännösjännitysten ja raekoon hallitsemiseksi - hyödynnetään muottien korjauksessa ja valmistuksessa työkaluteräsjauheesta (H13) Fe-0.33C-5Cr-1Mo-0.7V

14 DMD; Direct Metal Deposition, POM

15 LAM; Laser Additive Manufacturing, AeroMet Corp.

16 LAM; Laser Additive Manufacturing, AeroMet Corp. LAM-menetelmällä valmistettu ja jälkikoneistettu lentokoneen osa Ti-6Al-4V Kappaleen pituus n. 600 mm

17 LAM; Laser Additive Manufacturing, AeroMet Corp. LAM-menetelmällä valmistettu sylinteri Ti-6Al-4V Ulkohalkaisija 180 mm Korkeus 90 mm Seinämävahvuus 13 mm

18 LAM; Laser Additive Manufacturing, AeroMet Corp. LAM-menetelmällä valmistettu ja jälkikoneistettu suutin Ti-seos Valmistusaika 1 vrk

19 LDM; Laser Direct Manufacturing, Tsinghua University, Beijing -W60Ni40 sylinteri -2 kw, 300 mm/min -Ø = 3 mm, CO2-laser -15 g/min -korkeus 307 mm -valmistusaika 60 h

20 IMTI National Research Council Canada - 1 kw pulssitettu Nd:YAG W g/min SS - Stellite 6 - IN M4 työkaluteräs

21 IMTI National Research Council Canada Jari Tuominen TTY, Materiaaliopinlaitos IN L

22 IMTI National Research Council Canada

23 IMTI National Research Council Canada

24 Fraunhofer ILT, Aachen

25 Fraunhofer ILT, Aachen

26 Mekaaniset ominaisuudet: Lähde: IMTI National Research Council Canada

27 IN-625:n mikrorakenne Lähde: IMTI National Research Council Canada

28 Lähde: IMTI National Research Council Canada

29 Korroosionkestävyys Lähde: IMTI National Research Council Canada

30 Laseravusteisen pikavalmistusmenetelmän edut ja rajoitukset: - komponentit ovat 100 %:n tiiviitä vailla huokosia ja murtumia - lasertyöstölle ominaisen nopean jähmettymisen ( K/s) ansiosta komponenteilla on erinomaiset toiminnalliset ominaisuudet - muottien käyttö tarpeetonta - komponentin dimensioden ja muotojen muuttaminen mahdollista nopeasti - koostumuksen/ominaisuuksien räätälöinti (FGM) (anturit, magneetit) - aika suunnittelupöydältä lopulliseksi tuotteeksi on lyhyt - prototyyppien ja mallien valmistus, valmiiden komponenttien yksittäis- ja piensarjatuotanto - jäännösjännitykset -> halkeilu

31 Laseravusteisen pikavalmistusmenetelmän sovelluskohteet: - muottien valmistus ja korjaus (Cu + SS 420 / H13) (jäähdytyskanavat) - lääketiede: ihmisen varaosat - ilmailuteollisuus (Ti-seokset) (kaasuturpiinien korjaus) - autoteollisuus (Ti-, Al-seokset) (venttiilit) - elektroniikkateollisuus - aseteollisuus (varaosien valmistus lentotukialuksilla)

Samankaltaiset tiedostot

3D-tulostus - uusia mahdollisuuksia koulutukseen ja kilpailukykyä yhteiskuntaan

3D-tulostaminen tulevaisuuden ammattilaisen osaamispakkiin Omnia, 3.9.2014 3D-tulostus - uusia mahdollisuuksia koulutukseen ja kilpailukykyä yhteiskuntaan Jukka Tuomi Aalto-yliopisto Suomen Pikavalmistusyhdistys,