Metallipinnoitus pinnoitusmenetelmien mahdollisuudet ainetta lisäävässä valmistuksessa



Samankaltaiset tiedostot
Metallipinnoitus pinnoitusmenetelmien mahdollisuudet ainetta lisäävässä valmistuksessa

Laserpinnoitus katsaus tutkimusryhmä LaserCo:n toimintaan

Cold Metal Transfer (CMT) hitsauspinnoitus: metallirakenteiden pinnoittaminen ja korjaus, menetelmän erityispiirteet ja hyödyt

Lasertekniikan mahdollisuudet uusien materiaalien ja rakenteiden valmistamisessa

Laserpinnoitus. Petri Vuoristo Tampereen teknillinen yliopisto, materiaaliopin laitos ja Teknologiakeskus KETEK Oy, Kokkola

Laser cladding applications and development trends

Konetekniikan koulutusohjelman opintojaksomuutokset

3D-VALLANKUMOUKSEN VOITTAJAKSI

3D Printing Applications in Industry and Home

3D-tulostus. ebusiness Forum. Jukka Tuomi Finnish Rapid Prototyping Association, FIRPA Aalto University. Linnanmäki

Laser cladding with high power a review of the Trilaser project

Robotiikka ja 3D-tulostus

JET-Power, ALU-Power ja D-Power kovametallijyrsimet

3D-tulostus - uusia mahdollisuuksia koulutukseen ja kilpailukykyä yhteiskuntaan

Metallijauheiden valmistus ja 3D tulostuksen asettamat vaatimukset

Prof. Petri Vuoristo

Metallitulostuksen mahdollisuudet D-tulostuksen akatemia Tampere

Lecture 4: Physical Vapor Deposition PVD

1. Lujitusvalssaus 2. Materiaalin ominaisuudet 3. Sovellukset 4. Standardit 5. Outokumpu Tornio Worksin lujitetut tuotteet

Pinnoitustekniikka tänään ja tulevaisuudessa

3D-tulostus - uusia mahdollisuuksia koulutukseen ja kilpailukykyä yhteiskuntaan

Työkalujen Laserkorjauspinnoitus

performance DHW coil type exchanger Diverter valve Analogue thermostat control panel Heating pump DHW pump Digital electronic control panel

3D-tulostustekniikat

Metallitulostuksen materiaalit

Metallien 3D-tulostuksen trendit

ELEMET- MOCASTRO. Effect of grain size on A 3 temperatures in C-Mn and low alloyed steels - Gleeble tests and predictions. Period

Thin Films Technology. Lecture 3: Physical Vapor Deposition PVD. Jari Koskinen. Aalto University. Page 1

Lausuntopyyntöluettelo HUOM. Komiteoiden ja seurantaryhmien kokoonpanot on esitetty SESKOn komitealuettelossa

Metal 3D. manufacturing. Kimmo K. Mäkelä Post doctoral researcher

Laitteista digitaalisiin ratkaisuihin Case Kemppi

Pinnoitteilla kestävyyttä ja uusia ominaisuuksia

Manufacturing 4.0. Future of Manufacturing SP3, LUT Laser

Yhtiön nimi: - Luotu: - Puhelin: - Fax: - Päiväys: -

ReFuel 70 % Emission Reduction Using Renewable High Cetane Number Paraffinic Diesel Fuel. Kalle Lehto, Aalto-yliopisto 5.5.

The CCR Model and Production Correspondence

Katri Vala heating and cooling plant - Eco-efficient production of district heating and cooling

3D-tulostus. räjäyttää asiakasarvon

Toimisto (5) HUOM. Komiteoiden ja seurantaryhmien kokoonpanot on esitetty SESKOn komitealuettelossa

Laser-Assisted Cold-Sprayed Corrosionand Wear-Resistant Coatings: A Review

Export Demand for Technology Industry in Finland Will Grow by 2.0% in 2016 GDP growth 2016/2015, %

Yhtiön nimi: - Luotu: - Puhelin: - Fax: - Päiväys: -

Tulevaisuuden tehdas 2020 Petri Laakso, Senior Scientist

Laser additive manufacturing (aka 3D printing) of metallic materials

3D tulosteiden lämpökäsittelyt ja niiden vaikutus lopputuotteeseen

Keskittämisrenkaat. Meiltä löytyy ratkaisu jokaiseen putkikokoon, 25 mm ja siitä ylöspäin.

HITSAUKSEN TUOTTAVUUSRATKAISUT

Kestävä ja älykäs energiajärjestelmä

Lausuntopyyntöluettelo HUOM. Komiteoiden ja seurantaryhmien kokoonpanot on esitetty SESKOn komitealuettelossa

Capacity Utilization

LUONNONVALON JOHTAMINEN SISÄTILOIHIN ALUMIINISILLA HEIJASTINPINNOILLA

Remember to register for an exam no later than one week before it is held. Tentti /Vk. Day Date Time Course code and name Room

LYTH-CONS CONSISTENCY TRANSMITTER

BOOSTI JA INVEST -HANKKEET

7.4 Variability management

Storages in energy systems

Puolustusvoimien tutkimuslaitos

Materiaalia lisäävä valmistus (AM) ja 3D-tulostus

Exercise 1. (session: )

Konepajamiesten seminaari, 3D-tulostuksen teknologiat

Metallien 3D-tulostus

766 M ,83%*

Yhtiön nimi: - Luotu: - Puhelin: - Fax: - Päiväys: -

895 M ,26%*

BRUTTO PINTA- ALA (M 2 ) KEHYKSEN MATERIAAL I. EA-HP-1500/47-18 Super heat ALUMIINI 1, , *1680*110 59

PrinLab. Antti Berg Oulun seudun ammattikorkeakoulu, Tekniikan yksikkö

Exercise 3. (session: )

Konetekniikan kandidaatin tutkinto

LÄPPÄVENTTIILI Sarja SK DN BUTTERFLY VALVES Series SK DN

Wärtsilä Corporation. Interim Report January-September 2003 Ole Johansson President & CEO. 29 October Wärtsilä

Geoenergian tulevaisuuden visio. Jari Suominen

3D-tulostus ja lämpökäsittely - prosessiparametrit, muodostuvat mikrorakenteet ja lämpökäsittelyt

WP3 Decision Support Technologies

METALLITULOSTUS 3D INVEST JA 3D BOOSTI - HANKKEET

AKKREDITOITU TARKASTUSLAITOS ACCREDITED INSPECTION BODY DEKRA INDUSTRIAL OY

Pyöröteräleikkurit Round knife cutters

Suunnittelutyökalu kustannusten ja päästöjen laskentaan

LX 70. Ominaisuuksien mittaustulokset 1-kerroksinen 2-kerroksinen. Fyysiset ominaisuudet, nimellisarvot. Kalvon ominaisuudet

Tutkimuksen EU -rahoitus meriklusterille - Telakan kokemuksia. Kari Sillanpää Head of Research and Development , Helsinki

Kitchen Pendant 2/10/19

Sähköjärjestelmän käyttövarmuus & teknologia Käyttövarmuuspäivä

VALTAKUNNALLINEN YLIOPISTOKESKUSSEMINAARI Tulevaisuuden innovaatioiden, oppimisen ja osaamisen ekosysteemejä

Mineral raw materials Public R&D&I funding in Finland and Europe, Kari Keskinen

Särmäystyökalut kuvasto Press brake tools catalogue

TENTEISSÄ SALLITTU KIRJALLISUUS (päivitetty ) Jos ei tenttiä mainittu, ei myöskään lisämateriaalia.

Examiners: Professor Antti Salminen Docent Heidi Piili

Toimisto (5) HUOM. Komiteoiden ja seurantaryhmien kokoonpanot on esitetty SESKOn komitealuettelossa

TENTEISSÄ SALLITTU KIRJALLISUUS (päivitetty ) Jos ei tenttiä mainittu, ei myöskään lisämateriaalia.

Pv Pvm Aika Kurssin koodi ja nimi Sali Tentti/Vk Viikko

Teknologian tutkimuskeskus VTT. Energia- ja moottoritutkimus. Nils-Olof Nylund

Käytännön kokemuksia osallistumisesta EU projekteihin. 7. puiteohjelman uusien hakujen infopäivät 2011

INSPECTA TARKASTUS OY

A Review of Thermal Spray Metallization of Polymer-Based Structures R. Gonzalez, H. Ashrafizadeh, A. Lopera, P. Mertiny, and A.

Millaisia mahdollisuuksia kyberturva tarjoaa ja kenelle? Ja mitä on saatu aikaan?

Air Comfort. VEKA ver C.» Spare parts/reservdelar/varaosat

TÄUBLER OY. Vuorimiehenkatu Helsinki Finland. Puh: Fax:

KAAPELIN SUOJAAMINEN SUOJAMATOLLA

Wärtsilä Corporation. Interim Report January-June 2003 Ole Johansson President & CEO. 31 July Wärtsilä

E U R O O P P A L A I N E N

Digitice Road Show Kokkola. Lassi Markkanen Vattenfall Key Account Manager Sales Nordic Energy Intensive Clients

Transkriptio:

Metallipinnoitus pinnoitusmenetelmien mahdollisuudet ainetta lisäävässä valmistuksessa J. Tuominen Tampereen teknillinen yliopisto Materiaaliopin laitos Laser Application Laboratory

Sisältö Yleistä pinnoitusmenetelmistä Laserpinnoitus Jauhe Lanka Hybridimenetelmät Kaupalliset laitteet & sovellukset Materiaalit Komponenttien ominaisuudet Päällehitsaus kaarimenetelmillä CMT Terminen ruiskutus Kylmäruiskutus Edut, rajoitukset Yhteenveto Fusion bond Low dilution (single layer) 2

Classification of coating methods Energy from: High intensity light Combustion gases Kinetic energy Electric arc kj/m 2 : Moder Low Low High 3

Surface engineering Composite solution Sustainable Material efficient Global cladding/overlay welding markets expected to rise from 3.8 to 7.6 billion USD by 2015* * Abakan Inc. Global thermal spraying markets were 7.1 billion Eur in 2011* * The Linde Group, cladding Global market for AM will reach 3.5 billion USD by 2015* * Wohlers report Let there be light, Genesis 1:3 4

Principle of laser cladding Feedstock material (coating material in the form of powder, wire or strip) is fed to the melt pool created by laser beam Thin layer of base material is melted, which provides fusion bond, low dilution, dense clad layer with excellent properties Several layers on top of each other -> 3D printing 5

Laser cladding methods Powder and carrier gas Laser beam Powder and carrier gas Laser beam Shielding gas Clad layer Shielding gas Clad layer Substrate Substrate 2-step: preplaced powder 1-step: off-axis powder 1-step: coaxial powder 1-step: off-axis hot-wire (tandem) 1-step: coaxial cold-wire 1-step: coaxial hot-wire 6

Industrial laser cladding & applications 1-step: coaxial powder ID cladding On-site cladding Metallic and MMC coatings on metallic base materials Main benefits: Fusion bond Low dilution Low distortion Industrial cladding with 3-6kW lasers & powder feedstock: Low deposition rates (1-2 kg/h) Low material efficiency (~70%) New components / Remanufacturing (50/50) 7

High power laser cladding Inconel 625: 15 kw, 1 m/min, 15 kg/h (500 mm 3 /s) New world record!!! 8

Induction assisted laser cladding Without induction With induction Stellite 12 on M238 mould steel (646 x 230 x 196 mm 3 ) Fully closed-loop cladding process J. Tuominen, TUT Chromalloy Gas Turbine Corp, USA Stellite 20 on AISI 1045 F. Brückner, Fraunhofer IWS 9

Laser cladding cell 10

Process variables affecting the outcome 11

Kaupalliset laitteet (jauhe) HC-254 (Huffman) LENS 850-R (Optomec Inc.) DMD 505 (DM3D Inc.) EasyCLAD (BeAM) RPM s 557 (RPM Innovations Inc) 1 5 kw fiber, disc or diode laser 5-axis CNC machine Several powder hoppers Working volume 900 x 1500 x 900 mm 3 Max component weight 200 300 kg Controlled atmosphere (O 2 10ppm, H 2 O<50ppm) Closed-loop process control Software to create tool path from 3D CAD data Powder is recycled Track width 0.5 5 mm Up to 50 mm 3 /s 12

Yhdistelmäkoneet (AM + subtractive) DMG Mori: Lasertec 65 3D Optomec Lens + Fadal CNC mill 13

Yhdistelmäkoneet (AM + subtractive + laser microprocessing) Laser marking MAZAK INTEGREX i-400am 14

Yhdistelmäkoneet (AM + subtractive + inspection with touch probe + laser microprocessing) Hybrid Manufacturing Technologies 15

Sovellusesimerkkejä Pituus 600 mm Airfoil (siipiprofiili) Inconel 625 NRC-CNRC Laskutelineen osa Ti6Al4V alloy AeroMet Corp. 16

Sovellusesimerkkejä DMG Mori Efesto Aihio Suorakerrostus Jälkityöstö 17

Sovellusesimerkkejä Manufactured by DMD method Hip implant manufactured by LENS method Ti alloy Femoral component Manufactured by DMD method 18

Materiaalit Hardfacing alloys (Stellites, Tribaloy, Norem, Nanosteel, Self-fluxing alloys, Nistelle, Nucalloy) Superalloys (Inconel, Hastelloy, Monel, CMSX-4, high-cr NiCr) Tool steels (P20, M4, H13, CPM 10V) Stainless steels (316L, 254SMO, 420, 17-4 PH, duplex) Hadfield-steels (12-19%Mn, 1.1-1.4%C, 0-2.5%Cr ) Titanium alloys (Ti-6Al-4V, Ti6242, Ti grade 2) Copper alloys (CuAl, CuNi, CuSn) Aluminium alloys (AlSi5 (4043), AlSi10Mg, AlSi12, AlSi7Mg) Metal matrix composites (WC/W 2 C-NiCrBSi, TiC-Stellite, VC-tool steel, SiC-Al, synthetic diamonds) Solid lubricants (MoS 2, WS 2, CaF 2, graphite) Intermetallics (Cr 13 Ni 5 Si 2, MoSi 2, FeAl, NiTi) Gradient layers (FGM) (metal matrix composites, monolithes) Nanostructured and amorphous alloys, intelligent materials High entropy alloys (development of new alloys) 19

IN-625 microstructure Lähde: IMTI National Research Council Canada 20

Mechanical properties (static) Complex thermal history (directional heat extraction, repeated melting & rapid solidification, repeated solid state transformations) Reduced grain size due to high solidification rates Directionally solidified structures Anisotropic mechanical properties Lähde: IMTI National Research Council Canada Lähde: IMTI National Research Council Canada 21

Mechanical properties (dynamic) 22

Corrosion resistance High cooling rates reduce partitioning Corrosion properties close to wrought alloys and better than cast structures Lähde: IMTI National Research Council Canada 23

Dimensional accuracy & surface finish Lähde: IMTI National Research Council Canada 24

Laser wire cladding & additive manufacturing University West, Trollhättan Fraunhofer IPT, Aachen Main benefits over powder: Material efficient (100%) Clean Possible to heat by resistive heating Chemically cleaner feedstock Less contamination during processing Cheaper than powder Tubular wires more challenging 25

Coaxial wire laser cladding & additive manufacturing Precitec Mitsubishi Cavipro Fraunhofer IWS HighYAG/IWS 26

Coaxial hot-wire laser cladding & additive manufacturing Duplex: 3.5kW, 4m/min, 250A, 7V, 5kg/h (150 mm 3 /s) Main benefits: High process stability Less parameters in wire alignment Omni-directional Increased productivity Material efficient 27

Examples of laser wire manufactured parts 28

Laser + arc hybrid cladding & additive manufacturing Arc between two wires 1.4718 steel, 63 HRC 1.8401 steel Laser + MIG/MAG, single wire 1.8401 steel, 38 HRC, 2 kg/h Mild steel Twin wire 10kg/h Main benefits: Low dilution Low heat input Increased productivity Low power capacity laser source (<500W) Stabilization & guidance of electrical arc by laser More stable process 29

Kaupalliset laitteet (EB lanka) Sciaky Inc. Working space 5791 x 1219 x 1219 mm 3 Deposition rate 3 9 kg/h Titanium, Tantalum, Inconel, Stainless steels Closed loop process control 30

Cold metal transfer (CMT) cladding & additive manufacturing Advanced MIG High speed digital control Wire retracted at up to 140Hz Wire motion directly incorporated to electrical contol Max I = 280 A Solid wires up to Ø1.2mm Tubular wires up to Ø1.6mm Single wire, ~5kg/h Twin wire, ~10kg/h Main benefits: Low dilution Low heat input High productivity Material efficient Energy efficient (wall-plug, process) Power by aggregate On-site eligible ID cladding, Ø>100mm Low investments No optical elements Low safety precautions 31

Cold metal transfer (CMT) cladding & additive manufacturing Alloy 625 Refuse incinerators and power stations Boiler walls and pipes (coal, waste, biofuel) (400-550 C) Turbine rotors (hydropower) Ship propellers Mould repair Valves Alloy 625 32

Cold metal transfer (CMT) additive manufacturing α-al primary dendrite (light) 4.1 mm Al/Si eutectic (dark) 50 HV 0.05 11 µm Transverse cross-section of AlSi5 build-up Al Si R a 3.0µm 150 layers 40 mm 3 /s Hypoeutectic AlSi5 (4043) by robotguided CMT process 15 µm Elemental maps of Al and Si 33

Sovellusesimerkkejä Cranfield University Steel/bronze Cranfield University Pelton runners for hydropower stations Cranfield University Stiffened panel / Aluminium Cranfield University Cranfield University 34

Suorakerrostus vs. jauhepeti Ominaisuudet Suorakerrostus Jauhepeti Materiaalit Kappaleiden koko Kappaleiden monimutkaisuus laaja materiaalivalikoima jauhe, lanka kappaleiden/suutinpään käsittelyjärjestelmä rajoittaa rajoittunut Tarkkuus 0.5 mm 0.1 mm rajoittunut (materiaalvalikoima kasvaa nopeasti) prosessikammio rajoittaa lähes rajoittamaton Tuotto 150 mm 3 /s 20 mm 3 /s Alusta 3D-pinta aihio tasainen pinta tasainen aihio Pinnankarheus R z 60 100 µm 10 50 µm Kerrosten paksuus 0.1 2 mm 0.015 0.1 mm Tukirakenteiden tarve Ei Kyllä (ulkonemat) 35

Terminen ruiskutus muodonantomenetelmänä 36

Additive manufacturing by cold spray 37

Ref. Peter Richter Jr, Advanced High Pressure Cold Spray Innovative Technology Playground, North American Cold Spray Conference, Canada, 2014 38

Coaxially laser assisted cold spray COLA (http://www.cola-project.eu/, The European Union 7 th Framework Programme ): new, cost-effective laser-assisted cold-spray technique, for high-quality deposition and repair 39

Yhteenveto Metallien 3D-tulostukseen soveltuvia pinnoitusmenetelmiä ovat: Laserpinnoitus Päällehitsaukseen soveltuvat kaarihitsausmenetelmät (kylmäkaari) Terminen ruiskutus (kylmäruiskutus) Hybridimenetelmät (laserkuumalanka, laser+kaari, laser+ruisku, laser+induktio) Jauhepetimenetelmään verrattuna: Suurempi tuottavuus (isommat kappaleet) Muodonanto jo olemassa olevaan kappaleeseen, korjaus Mahdollisuus yhdistää ainetta lisäävä ja poistava valmistus (esi-, väli-, loppukoneistus) Tukirakenteiden tarpeettomuus Adaptiivinen prosessinsäätö Alhaisempi resoluutio ja mittatarkkuus Alhaisempi pinnanlaatu 40