Lasertekniikan mahdollisuudet uusien materiaalien ja rakenteiden valmistamisessa Jari Tuominen Tampereen teknillinen yliopisto Materiaaliopinlaitos Laser Application Laboratory
Esityksen sisältö: Laseravusteiset pikavalmistusmenetelmät - prosessien kuvaus (sintraus, sulatus) - state of the art (tutkimuslaitokset, yritykset) - potentiaaliset sovelluskohteet - komponenttien ominaisuudet (mikrorakenne, mekaaniset ominaisuudet, korroosionkestävyys) - edut, rajoitukset
Laseravusteiset pikavalmistusmenetelmät on sekoitus: - lasertekniikkaa - tietokoneavusteista suunnittelua (CAD) - tietokoneavusteista valmistusta (CAM) - prosessin hallintaa ja monitorointia - pulverimetallurgiaa
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 - valmistusaika 72 h - Fe, SS - työkaluteräkset - Ni-superseokset - Cu-seokset
DMLS; Direct Metal Laser Sintering, Electro Optical Systems Finland Oy
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 materiaalia lisäämällä - komponentin mittatarkkuus ja mahdollinen jälkityöstön määrä riippuu käytettävissä olevista laitteista (laser, pinnoituspää, prosessin reaaliaikainen säätö jne.)
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 0.6 mm - kerrospaksuus 0.13 0.38 mm - kaupallistunein pikavalmistusmenetelmä - ensimmäinen laitetoimitus 1998 - NASA, US Army, 3M, Lockheed Martin, Rolls Royce - SS, Cu-, Ni-, Ti-seokset
LENS; Laser Engineered Net Shaping, Optomec Design Company LENS-menetelmällä valmistettu lonkkaimplantti titaanista
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 = 0.7 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
DMD; Direct Metal Deposition, POM
LAM; Laser Additive Manufacturing, AeroMet Corp.
LAM; Laser Additive Manufacturing, AeroMet Corp. LAM-menetelmällä valmistettu ja jälkikoneistettu lentokoneen osa Ti-6Al-4V Kappaleen pituus n. 600 mm
LAM; Laser Additive Manufacturing, AeroMet Corp. LAM-menetelmällä valmistettu sylinteri Ti-6Al-4V Ulkohalkaisija 180 mm Korkeus 90 mm Seinämävahvuus 13 mm
LAM; Laser Additive Manufacturing, AeroMet Corp. LAM-menetelmällä valmistettu ja jälkikoneistettu suutin Ti-seos Valmistusaika 1 vrk
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
IMTI National Research Council Canada - 1 kw pulssitettu Nd:YAG - 50 300 W - 1 30 g/min - 316 SS - Stellite 6 - IN-625 - M4 työkaluteräs
IMTI National Research Council Canada Jari Tuominen TTY, Materiaaliopinlaitos IN-625 316L
IMTI National Research Council Canada
IMTI National Research Council Canada
Fraunhofer ILT, Aachen
Fraunhofer ILT, Aachen
Mekaaniset ominaisuudet: Lähde: IMTI National Research Council Canada
IN-625:n mikrorakenne Lähde: IMTI National Research Council Canada
Lähde: IMTI National Research Council Canada
Korroosionkestävyys Lähde: IMTI National Research Council Canada
Laseravusteisen pikavalmistusmenetelmän edut ja rajoitukset: - komponentit ovat 100 %:n tiiviitä vailla huokosia ja murtumia - lasertyöstölle ominaisen nopean jähmettymisen (10 5 10 6 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
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)