TEKNOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS VTT OY Käytännön kokemuksia metallin lisäävästä valmistuksesta 3D-tulostuksen mahdollisuudet Pohjois- Savossa Petri Laakso, Senior Scientist
Esityksen sisältö Esityksessä pyrin valottamaan niitä käytännön kokemuksia, mitä VTT:llä on havaittu viimeisen parin vuoden aikana. 15.4.2016 2
Tukirakenteiden suunnittelu AM suunnittelu ja ohjelmointi Jälkikäsittelyä vaativien alueiden määrittely Kappaleiden orientointi ja asetus tulostusalustalle Jauhesäiliön täyttö Jauheen laadunvalvonta Jauhemateriaalin valinta ja hankinta tai valmistus Kuivaus Valmistuksen laadunvalvonta Seulonta Prosessiparametrien valinta Kappaleen poisto koneesta Valmistus HIPpaus Jännityksenpoisto hehkutus Lämpökäsittelyt Alustan ja tukien irrotus Jauheenpoisto Lopputuotteen tarkastus ja laadunvalvonta Lopputuote Jauheen hävittäminen Viimeistelyt Koneistus Rae- ja kuulapuhallus Rumpu- ja käsinhionta Kokoonpano ja käyttö Kiillotus Pinnoitus Muut viimeistelymenetelmät 3
AMkappaleen suunnittelu Jauheen hallinta AMkappaleen valmistus Jälkikäsittelyt Lopputarkastus Kokoonpano, käyttö CAD Hankinta / valmistus Tukirakenteen suunnittelu Jännityksenpoistohehkutus Mittatarkkuus Reverse engineering Topologian optimointi Tukirakenteen suunnittelu STL-muunnos Seulonta Kuivaus Säiliön täyttö Laadun monitorointi Hävittäminen Prosessiparame trien valinta Laitteen valmistelu Tiedoston siirto laitteeseen Valmistus Tukirakenteiden poisto Lämpökäsittely Koneistus Ominaisuuksien (pinnanlaatu, puristusjännitykset) parantaminen Hionta Pinnanlaatu Kiillotus Kappaleen poisto laitteesta Pinnoitus Jauheen poisto & kierrätys Onlinemonitorointi 15/04/2016 4
AM-prosessin valmistuksen vaiheet - jauhepetimenetelmä
Jauheen hallinta
Jauhemateriaalin valinta ja hankinta tai valmistus Kaupallinen jauhe / räätälöity jauhemateriaali Usein kaasuatomisoituja, partikkelit pallomaisia (~10-45 µm) Valinta tulostettavan kappaleen mukaan Jauheen laatuun vaikuttavia tekijöitä: kosteus, hapettuminen, jauheen puhtaus, partikkelikokojakauma, juoksevuus, partikkelien muoto, prosessissa kiertäneen jauheen osuus 15.4.2016 7
Jauheen seulonta ja kuivaus Tarve riippuu 3D-tulostimesta (avoin systeemi vs. suljettu jauheenkierto + automaattiseula) Ylimenosäiliöön kertynyt jauhe seulotaan halutun fraktion saamiseksi (poistetaan mm. prosessissa syntyneet agglomeraatit) Avoimessa systeemissä jauhe voi kostua mm. seulonnan aikana -> jauheen kosteuspitoisuuden mittaaminen ja kuivaus uunissa (tavallinen / vakuumi) Optimaalisin on seula, jossa jauhe saadaan seulottua ja lisättyä jauhesäiliöön suojakaasussa ilman altistusta ympäristölle Jauheen tavoitekosteus alle 10% (jauheen pinnalla oleva kosteus) 15.4.2016 8
Jauhesäiliön täyttö ja kiinnitys AM-koneeseen Uusi jauhe tai seulonnan ja kuivauksen kautta kierrätetty jauhe siirretään jauheensyöttösäiliöön, joka kiinnitetään AMkoneeseen Automaattikoneissa kierrätetty jauhe siirtyy suoraan jauheensyöttösäiliöön Automaattikoneissa, joissa käytetään pääsääntöisesti yhtä materiaalia, lisätään uutta jauhetta kulutuksen mukaan jauhesäiliöön Jauhemateriaalin vaihto koneeseen kestää konetyypistä riippuen muutamasta tunnista pariin päivään Joissakin koneissa jauheenvaihto on niin iso operaatio, että se ei kannata ollenkaan 15.4.2016 9
Jauheen kierrätys ja hävittäminen Ajon jälkeen syöttösäiliön venttiilit suljetaan ja säiliö irrotetaan. Irtojauhe imuroidaan pois. Ylimenosäiliöt irrotetaan, jauhe seulotaan ja haluttu fraktio käytetään uudelleen. Ylimenojauheen varastointi hallitusti (mm. alumiini + vesi -> vety) Seulaan / imuriin jäänyt jauhefraktio toimitetaan ongelmajätelaitokselle (hyvin pieni määrä) 15.4.2016 10
Jauheen laadunvalvonta Alkuaineanalyysi (varmennetaan, että jauhe on sitä, mitä sen pitää olla), vertailu eri jauhe-erien välillä Partikkelikokojakauman määritys (mm. optinen määritys) Jauheen juoksevuuden mittaaminen Kosteuden mittaaminen Seulonta 15.4.2016 11
AM-kappaleen valmistus
AM suunnittelu ja ohjelmointi Mitkä osat soveltuvat AM-valmistukseen ja käänteisesti miten suunnitella AMvalmistukseen soveltuvia osia? Vaihtoehdot: valmis 3D-malli / kappaleesta skannattu 3D-malli Tukirakenteiden suunnittelu Jälkikäsittelyä vaativien alueiden määrittely (mm. koneistusvarat) à muutokset 3Dmalliin Kappaleiden orientointi ja asettaminen tulostusalueelle Ei mielellään suoraan kulmaan jauheen levittäjän liikkeen kanssa Alustan kiinnityspultit Tulostusparametrien valinta 15.4.2016 13
Ohjelmistot 3D tulostamisessa Geometrian luonti jollain 3D ohjelmistolla Ohjelmistojen kirjo on laaja Geometrian luonti skannaamalla olemassa olevasta osasta Ohjelmistot mittausdatan muokkaamiseksi malliksi Pintamallin muokkaus (STL-editor) Esim. kun pinta ei ole enää matemaattisesti määrätty Mallin valmistelu tulostamista varten Valmiin mallin kääntäminen 3D tulostimen ymmärtämäksi 15.4.2016 14
Geometrian luonti jollain 3D ohjelmistolla Jokaisella yrityksellä lienee omat suunnitteluohjelmansa eikä niihin välttämättä tarvita uusia ohjelmia. Esimerkkejä ohjelmista NX, Creo, Solidworks 3DS Max, Alibre, AC3D AutoCAD, AutoQ3D, Cheetah3D Cloud9, FormZ, Maya Magics NetFabb Rhino3D ZBrush 15.4.2016 15
Geometrian luonti skannaamalla Eri skannerivalmistajilla on omat ohjelmansa, joilla luoda 3D malli pistepilvestä. Ohjelmistojen hinnat ovat yllättävänkin kovia laitteen lisäksi. Laitteiden hinnat tuhannesta kymmeniin tuhansiin. Laitteiden tarkkuuksissa on isoja eroja. 15.4.2016 16
Pintamallin muokkaus (STL-editor) VTT:llä käytössä Materialisen 3-matic, jolla voidaan tehdä lähes kaikki mallinmuokkauksen tarpeet. Alla pari esimerkkiä. 15.4.2016 17
Mallin korjaus Yleensä aina mallissa on virheitä, jotka pitää korjata. Nykyisellään ohjelmissa on automaattisia toimintoja mallin korjaamiseksi (reikien paikkaus, kolmioiden kääntö jne jne). Automaattisella korjauksella ratkeaa lähes kaikki virheet. 15.4.2016 18
Mallin valmistelu tulostamista varten Osien orientaatio ja tuenta. Materialise Magicsiin saa postprosessorin Arcam, Renishaw, EOS ja SLM laitteille Esim EOSllä, 3D systemssillä ja Concept Laserilla omat softat ohjelmien tekemiseksi. 15.4.2016 19
Valmiin mallin kääntäminen 3D tulostimen ymmärtämäksi parametrien lisäys 15.4.2016 20
Laitteen käyttöliittymä 15.4.2016 21
Suunnitteluohjeita lyhyt versio Tuennat pitäisi aina minimoida, koska ne aiheuttavat jälkityöstötarvetta. Tuettu kappale on helpompi irroittaa pohjalevystä. Pinnat jotka ovat 45 tai pienemmässä kulmassa pohjalevyyn nähden tulisi tukea. Riippuen materiaalista tuenta tarvitaan jopa vasta 30 kulmassa Pienet reiät (alle 6mm) tulostuvat yleensä hyvin vaakaan, mutta suuremmissa geometriaa saattaa joutua muuttamaan. Kyyneleen muotoinen reikä on niin sanottu self supporting rakenne, jolloin tukia ei tarvita kanavan sisään. Kuvan Lähde: VDI 3405 Blatt 3 15.4.2016 22
Suunnitteluohjeita lyhyt versio Tulostettava kappale ei saa olla suoraan poikittain jauheenlevitykseen nähden, eikä siinä saa olla muotoja, jotka kaappaavat jauheen sisäänsä. Osat eivät saisi olla suorissa riveissä jauheenlevitykseen nähden. Kuvan Lähde: VDI 3405 Blatt 3 15.4.2016 23
Suunnitteluohjeita lyhyt versio Reiät kannattaa tulostaa pystyyn, jos mahdollista. Parhain tapa on ikään kuin pursottaa muodot pohjalevystä ylös. Riippuen reiän koosta ja materiaalista monet reiät tulostuvat kohtuullisesti myös vaakaan, joskin pursetta saattaa esiintyä lähellä lakipistettä Reiän yläpinta pitää monesti tukea, mutta jälkityöstöä helpottaa jos tuki on sijoitettu pois kappaleelta. Kuvan Lähde: VDI 3405 Blatt 3 15.4.2016 24
Structural Topology Optimization of a Jet Engine Bracket Design Space Step 1 Determine design space, loads and boundary conditions Define Model Step 5 Optimized Design Run FE analysis ofgeometry optimized design to Þ 79% reduction ensure in initial mass design criteria are satisfied Step 4 Interpret optimization results Validate and create a new mesh for reanalysis Step 2 Create finite element model Topology Optimization Step 3 Run topology optimization to determine where Interpret material can be removed Results & Remesh 25
Tulostusalustan valmistelu ja kiinnitys Konetyypistä riippuen uusi alusta puhdistetaan ja kiinnitetään paikoilleen laitteeseen tai koko tulostuskammio liitetään koneeseen Tulostusalustan pitää olla tasainen ja puhdas Tulostusalustan materiaali valitaan tulostettavan materiaalin mukaan 15.4.2016 26
Parametrien hakeminen Laitevalmistajan jauheille saa laitevalmistajalta toimivat parametrit, mutta niissäkin saattaa on pientä viilaamisen varaa. Kolmannen osapuolen jauheille pitää parametrit hakea itse. Vastaavalla jauheella arvot saattavat toimia ok. Spesiaalijauheelle arvot pitää hakea ihan kokonaan itse ja se vaatii osaamista, aikaa ja resursseja. 15.4.2016 27
H13 parametri optimointi laser teho vs nopeus H13 parametriikkuna 15.4.2016 28
H13 parametri optimointi hatch vs nopeus H13 parametriikkuna 15.4.2016 29
Valmistus Laitteeseen tuodaan valmistettava tiedosto. Tarkistetaan, että kaikki on ok. Käynnistetään ajo. Ajon etenemistä voidaan seurata etäkäytön avulla Tulostusnopeus riippuu tulostuslaitteesta (laserien määrä ja teho) sekä tulostettavasta materiaalista Esim. SLM500 koneen (4*400W) laskennallinen tulostusvolyymi teräksillä on 100 cm3/h, alumiinilla saavutetaan jopa 280 cm3/h Laserin lisääminen nostaa koneen tulostusnopeutta noin 60% koska jauheen levittäminen vie edelleen saman verran aikaa 15.4.2016 30
Tuloksia Laitevalmistajan jauheilla pääsee luvattuihin arvoihin, joskin arvoja voi ehkä hieman joutua virittelemään. 15.4.2016 31
Materiaali: H13 (1.2344) SLM H13 vetokoetulokset Myötölujuus Rp0.2 (MPa) Murtolujuus Rm (MPa) Valmistustilassa (ajo 32): vaaka 784 1333 1.8 45 957 1474 1.4 pysty (yksi sauva katkesi olakkeesta, pois tuloksista) 963 1553 1.9 Murtovenymä A (%) Jännitystenpoistohehkutuksen jälkeen* (ajo 29): vaaka (yhdellä sauvalla pieni venymä, venymä pois tuloksista) 1232 1438 4.4 45 1214 1432 4.7 pysty 1166 1380 7.7 Karkaistuna ja päästettynä** (ajo 28): vaaka (yksi sauva murtui ennen 0.2% venymää, A kuitenkin 1.0%, pois 1553 1612 1.2 tuloksista) 45 (kaksi sauvaa murtui ennen 0.2% rajaa, pois tuloksista) 1570 1589 1.2 pysty (yksi sauva murtui ennen 0.2% rajaa, pois tuloksista) 1633 1714 1.1 SLM esitteen lujuusarvo - 1730 +/- 30 - Uddeholm Orvar supreme (perinteisesti valmistettu, 52 HRC)*** 1520 1820? VTT:llä käytetty 30µm kerrospaksuutta VTT:n arvot ovat keskiarvoja kolmesta koetoistosta, ellei toisin mainittu * Kuumennus ilma-atmosfääri uunissa kahdessa tunnissa 650 C:een, pito 2 tuntia, jäähdytys uunin mukana huoneenlämpöön. ** Karkaisu (austenitointi) 1030 C:ssa ja sammutus 50 C lämpöiseen öljyyn => päästö kaksi kertaa 400 C:ssa (pitoaika 2h/kerta) jäähdytys ilmassa huoneenlämpötilaan *** http://www.uddeholm.fi/files/uddeholm_orvar_supreme.pdf 32
SLM ja Höganäs AISI 316L vetokoetulokset Materiaali: AISI 316L valmistustilassa Myötölujuus Rp0.2 (MPa) Murtolujuus Rm (MPa) Murtovenymä A (%) Höganäs:n jauhe (ajo 73): vaaka 566 705 30.3 45 564 690 31.0 pysty (tulostus jäi kesken, no 12 sauvasta saatiin vain murtoluj, muut OK) 485 658 33.7 SLM Material Data Sheet, 30 µm 550 ± 39 654 ± 49 35 ± 4 SLM Material Data Sheet, 50 µm 519 ± 25 633 ± 28 30 ± 5 Verrokki bulkkimateriaali ~300 ~500-600 > 40-50 VTT:llä käytetty 30 µm kerrospaksuutta VTT:n arvot ovat keskiarvoja kolmesta koetoistosta, ellei toisin mainittu 15.4.2016 33
Kappaleen poisto koneesta Kappale ja tulostusalusta joko poistetaan tulostuskammiosta tai koko tulostuskammio siirretään jälkikäsittelyasemaan Kappaleesta poistetaan imuroimalla / puhaltamalla / mekaanisesti / ultraäänen avulla tarkasti kaikki irtojauhe pois (vältetään jauheen tartunta kappaleeseen lämpökäsittelyn aikana) Puhdistus suoritetaan joko tulostuskammiossa (suojahansikkaan avulla, kammio auki mahdollisimman vähän aikaa) tai esim. erillisessä jälkikäsittelyasemassa, jolloin tulostuslaitteeseen voidaan heti asentaa toinen tulostuskammio ja aloittaa uusi tulostusajo Automatisoitu jauheenpoisto voidaan toteuttaa mm. täryn ja imun avulla 15.4.2016 34
Kammion puhdistus ja jauheenpoisto Kammio, tiivistepinnat ja laserin suojalasi puhdistetaan jauheesta ajon jälkeen Käytetty jauhe seulotaan ja tarvittaessa kuivataan Palanut jauhe imuroidaan pois Tulostuskammiossa oleva irtojauhe kerätään ylimenosäiliöön Mikäli koneeseen aiotaan vaihtaa tulostusmateriaali ajon jälkeen, pitää myös kaikki jauheen kanssa tekemisissä olevat pinnat (mm. putkistot) puhdistaa huolellisesti 15.4.2016 35
Valmistuksen laadunvalvonta Prosessin aikainen laadunvalvonta (esim. sulan lämpötilan mittaaminen, profiilin infrapunamittaus, jauhekerroksen tasaisuuden mittaaminen, suurnopeuskamerat) Prosessiarvojen mittaaminen ja tallennus ajon aikana (lämpötila-arvo, paine, suodattimen tila, teho) Vetosauvojen ja testinappien tulostus jokaisen tulostuksen yhteydessä Uusia menetelmiä kehitetään. Laatuun vaikuttavia tekijöitä Käyttäjä (koulutus, osaaminen) Prosessin valmistelu (tulostusalusta, jauheen kierto, laserin kunto, huolto) Osan geometria (orientointi, muoto, koko) CAD data Materiaali Laser - parametrit ja toiminta Prosessi (kerrosten välinen homogeenisuus, osan geometria, lopullisen kappaleen jännityksien kestokyky ja eheys) Jälkikäsittelyt 15.4.2016 36
Jälkikäsittelyt
Jännityksenpoistohehkutus Suoritetaan irtojauheesta puhdistetuille kappaleille, jotka ovat vielä kiinni tulostusalustassa Vähennetään valmistuksen aikana syntyneitä jäännösjännityksiä Hehkutuksen parametrit valitaan tulostusmateriaalin mukaan AM-laitevalmistajilta saa ohjeita lämpökäsittelyihin 15.4.2016 38
Alustan ja tukien irrotus Tukien poisto vaatii manuaalista työtä Tuet poistetaan tyypillisesti jännityksenpoistohehkutuksen jälkeen Metalliset tuet irrotetaan usein käyttäen lankasahaa, vannesahaa, kulmahiomakonetta tai lyöntityökaluja Rakennettujen tukien poistoon vaikuttaa kappaleen orientaatio suhteessa kasvatussuuntaan. Esimerkiksi valmistettaessa ohut kappale vaakatasossa voi tukiin kuluva materiaalitilavuus olla suurempi kuin itse kappaleen. Osan irrottua kappaleen pohja viimeistellään raaputtamalla loput tuet irti, viilaamalla ja hiomapaperilla Tuet vaikuttavat myös kappaleen pinnanlaatuun, koska tyypillisesti tukien poiston jälkeenkin kappaleeseen jää jälkiä tuista Alusta pitää koneistaa tai tasoittaa muilla menetelmillä ennen seuraavaa ajoa 15.4.2016 39
HIPpaus (kuuma isostaattinen puristus) Suoritetaan yleensä jännityksenpoistohehkutuksen ja tukien poistamisen jälkeen Mikrohalkeamien ja huokoisuuden poistaminen Ei pakollinen vaihe AM-kappaleille (käytetään lähinnä lentokoneteollisuudessa ja lääketieteen sovelluksissa) 15.4.2016 40
Lämpökäsittelyt Suoritetaan yleensä useammassa vaiheessa (esim. jännityksenpoistohehkutus, HIPpaus, varsinainen lämpökäsittely) Lämpökäsittelyillä (mm. karkaisu, päästö) muutetaan mikrorakennetta ja voidaan vaikuttaa kappaleen kovuuteen, lujuuteen, sitkeyteen ja kulutuskestävyyteen Lämpökäsittelyolosuhteiden valinta riippuu useasta tekijästä kuten kappaleen materiaali, koko, geometriset muodot, vaadittavat mekaaniset ominaisuudet Suoritetaan usein tyhjiössä tai inertissä ympäristössä pinnan hapettumisen estämiseksi / vähentämiseksi Lämpökäsittelyn jälkeen kappaleesta pitää useimmiten puhdistaa hapettunut pintakerros esimerkiksi hiekka- tai kuulapuhalluksella 15.4.2016 41
Viimeistelyt Erilaisia viimeistelymenetelmiä on useita mm. Koneistus Rae- ja kuulapuhallus Rumpu- ja käsinhionta Kiillotus Pinnoitus Tarvittavat viimeistelymenetelmät kappaleen käyttötarkoituksen mukaan Viimeistelyillä parannetaan mm. kappaleiden pinnanlaatua sekä tehdään mittatarkkuutta vaativat yksityiskohdat (toiminnallisuuden sekä ulkonäön muokkaaminen) 15.4.2016 42
Video automaattisesta viimeistelystä 15.4.2016 43
Viimeistely - Rae ja -kuulapuhallus Raepuhallus (blasting) on abrasiivinen prosessi, jossa kappaleen pinnasta poistuu materiaalia. Ammuksena käytetään mm. hiekkaa, keraami-, lasi- ja polymeerikuulia ja pähkinänkuoriä. Kuulapuhallus (peening tai micropeening) on yleensä enemmän metallisten pintojen kylmämuokkausta. Kappaleeseen muodostuu puristusjännitystila, pinta tiivistyy ja väsymiselinikä kasvaa. Ammuksena käytetään pääasiassa kuulia (metalli, lasi ym.) Prosessiparametreina ovat mm. materiaali, raekoko, partikkelien nopeus ja iskukulma Lopputuloksena tyypillisesti mattamainen viimeistely Ei sovellu monimutkaisten sisäisten muotojen ja kanavien pinnanlaadun parantamiseen 15.4.2016 44
Tulostettu 316 ja puhalluksien vaikutus pinnanlaatuun Ra 15.4.2016 45
Lopputuotteen tarkastus ja laadunvalvonta Mittatarkkuus (laserskannaus, työntömitta) Vetosauvat ja materiaalikuutiot jokaiseen ajoon -> kovuus, lujuus, mikrorakenne Pinnankarheus NDT-menetelmät (esim. röntgen) Menetelmät osin kehitysasteella 15.4.2016 46
Yhteenveto Matkan varrella on opittu yhtä ja toista asiaa. Nykyisellään tiedetään mihin asioihin täytyy kiinnittää enemmän huomiota. Kokemusta ei korvaa tässäkään mikään. Asiantuntijoita on hyvä olla monelta alalta, koska 3D-tulostukseen liittyy erittäin monta teknistä osaamista. 15.4.2016 47
TEKNOLOGIASTA TULOSTA