3D tulosteiden lämpökäsittelyt ja niiden vaikutus lopputuotteeseen Pasi Peura Tampereen teknillinen korkeakoulu Materiaalitekniikan laboratorio 3D tulostuksen materiaalit päivä 25.08.2017
Johdanto SLM (Selective Laser Melting) DED (Directed Energy Deposition) (EBM, UAM) ei käsitellä R. Baker, Method of Making Decorative Articles, US Patent 1,533,300 (1925). 28.8.2017 3
R. BAKER: METHOD OF MAKING DECORATIVE ARTICLES Filed Nov. 12, 1920 April 14, 1925 US pat. 1,533,300 ELECTRIC MANUFACTURING COMPANY, A CORPORATION OF PENNSYLVANIA. This invention relates to ornamental arc welding, more especially to utilizing an electric arc, such as is ordinarily employed for electric welding, for the formation of deposits to produce receptacles or containers of ornamental and useful shapes. 1. A method of forming metal deposits into receptacles which comprises establishing an arc between a fusible electrode and a metal base, and manipulating said electrode to produce superposed deposits to form the walls of a receptacle. 2. A method of depositing metal which comprises establishing an arc between a fusible electrode and a metal base, and manipulating said are on said base to form an endless helix of superposed deposits. 3. A method of depositing metal which comprises establishing an arc between a fusible metal electrode and a non-adherent metal base plate, manipulating said are spirally to form contiguous layers, and forming an endless helix of superposed deposits thereon. 4. A receptacle comprising superposed layers of fused metal. 5. A receptacle comprising a spiral deposit of fused metal forming a base of contiguous layers, and superposed layers of fused metal forming the walls thereof. 6. A receptacle comprising contiguous and superposed deposits of fused metal having projections I deposited thereon. www.google.com/patents/us1533300 28.8.2017 4
Johdanto Manfredi et al Additive Manufacturing of Al and Aluminium Matrix Compoasite 28.8.2017 5
Johdanto 28.8.2017 7
Rakenne, yleistä Mikrorakenne: Pienet rakeet, muut kuin tasapainofaasit ja yhdisteet Mekaaniset ominaisuudet: pieni raekoko ja metastabiilit faasit tuottavat usein paremmat mekaaniset ominaisuudet kuin muokatuissa/valetuissa rakenteissa. Pienempi pulvereiden partikkelikoko usein parantaa lopputuotteen lujuutta (Kumar et al 2011) Anisotropia: kerroksellisesta rakenteesta johtuen komponenttien ominaisuudet voivat vaihdella eri suunnissa; esimerkiksi Ti6Al4V seoksella on havaittu paras venymä z-akselin suuntaan johtuen tämän suuntaisista dendriiteistä (Qiu et al 2013) Jäännösjännitykset: sulaminen/jähmettyminen syklit voi aiheuttaa materiaalin myötölujuuden ylittäviä jännityksiä joiden seurauksena komponenttien muoto voi vääristyä 28.8.2017 9
Rakenne ja ominaisuudet DED, EBM ja SLM menetelmissä liikkuva energialähde sulattaa kerrostettavan materiaalin => muistuttaa monipalkohitsausta Toistuva sulatus, jähmettyminen, faasimuutos, jne. Heterogeeninen mikrorakenne Esimerkki DED menetelmällä valmistettu IN-718 c) Optinen kuva rakenteesta eri suunnista d) Kovuus e) Kideorientaatio R = solidification velocity G = Temperature gradient in weld pool David and Vittek 1989 Das et al MRS Bulletin October 2016 28.8.2017 10
Rakenne ja ominaisuudet Jähmettyminen on usein dendriittien kasvua lämmön johtumisen suuntaan ja poikittain sulaa vasten (Harrison et al 2015) Lopullisessa rakenteessa dendriitit voivat ulottua usean kerroksen läpi => voimakas suuntautuneisuus kasvatussuuntaan Kuten valuissa ja hitseissä myös 3D tulostetuissa metalleissa huokoisuus on usein yleinen virhe Mekaanisten ominaisuuksien jääminen optimaalisista, jäännösjännitykset, delaminaatio, säröt, ym. myös mahdollisia => tarvitaan jälkikäsittelyjä niiden eliminoimiseksi Inconel 625 Ref. IMTI National Research Council Canada 28.8.2017 11
Miksi lämpökäsittely? Sisäisten jännitysten minimointi Haluttujen ominaisuuksien saavuttaminen (mikrorakenteen manipulointi) (Tiheyden lisääminen, huokosten eliminointi, minimointi prosessiparametrien optimoinnin kautta) http://www.industrialheating.com/articles/93048-heat-treating-3d-printed-metals 28.8.2017 12
Miksi lämpökäsittely? Nopeat ja epätasaiset kuumennus- ja jäähtymissyklit aiheuttavat sisäisiä jännityksiä Kappaleen ja pohjalevyn välille Itse kappaleeseen Jännitysten poistohehkutukset Hehkutus faasimuutoslämpötilojen alapuolella riittävän kauan Esimerkiksi Ti6Al4V : Tyypillisesti 480-590 C/1h => kaikki jännitykset pois. Jos hehkutuslämpötila on alarajalla 480 C jäljelle jää noin 20-30% alkuperäisistä jännityksistä 28.8.2017 13
Miksi lämpökäsittely? Process Procedure Effects Stress relieving Heat to round 600 C + slow cooling (30 C (mild steel) per hour) Stress relieving (alloy steel) Stress relieving (Al alloys) Annealing (steels) Normalising (most steels) Heat to a temperature below the tempering temperature Heat to a temperature below the aging temperature Heat to austenite + slow cooling (30 C per hour) Heat to austenite, quench in room temperature air Reduce or eliminate residual stresses caused by distortion and shirking (in welding) No micro-structural changes Eliminate effects of heat treatment or cold working processes Returns material to the softest condition and enhances ductility Increases tensile and yield strengths but reduction of ductility Normaalin hitsauksen jälkeen tehtävän jännitysten poistohehkutusten lämpötilat hyvä lähtökohta MOL-22226 Joining Methods for Metals 14 8/28/2 017
A360.2 liki eutektinen koostumus, Tm 570 C Lujuus ja kovuus korkeita Käyttö normaalisti ohutseinäisissä ja monimutkaisissa valukappaleissa kun tarvitaan lujuutta Tyypilliset lämpökäsittelyt => Case AlSi10Mg 28.8.2017 15
Case AlSi10Mg Ennen irrotusta hehkutus 2h 300 C taipumisen estämiseksi, jäähdytys ilmassa tai uunin mukana Jäännösjännityksen minimiin Varsinaiset lämpökäsittelyt vaikuttavat mekaanisiin ominaisuuksiin (T2)* hehkutus 530 C/5h jäähdytys uunissa T4 Liuotushehkutettu 530 C/5h, sammutus veteen ja luonnollisesti vanhennettu 2 viikkoa T6 Liuotushehkutettu 530 C/5h ja sen jälkeen keinovanhennettu 160 C/12h * T2 suluissa, koska ei ollut kylmämuokattu ennen hehkutusta 28.8.2017 16
Case AlSi10Mg Rp0.2 (MPa) 240 UTS (MPa) 331 A (%) 4.5 28.8.2017 17
Case Ti6Al4V Thöne et al Influence of heat-treatment on Selective Laser Melting products e.g. Ti6Al4V 2012 28.8.2017 19
Case Ti6Al4V Thöne et al Influence of heat-treatment on Selective Laser Melting products e.g. Ti6Al4V 2012 28.8.2017 20
Case Ti6Al4V β α+α α Tulostuksen jälkeen Hehkutettu 950 C T kasvaa T+HIP 28.8.2017 21
Case Inconel SR = jännityksen poisto SHT= liuoshehkutus PHT= erkautushehkutus Stratasys, DMLS white paper 28.8.2017 22
Huokoset Peräisin käytetystä pulverista (kaasuatomisoitu), prosessista tai jähmettymisen seurauksena Laitevalmistajilla tieto kuinka minimoidaan Prosessi Ei tarpeeksi energiaa täydelliseen sulatukseen, ei yleensä pyöreitä, pahimmillaan jopa pulveripartikkeleita näkyvissä Kutistumahuokoset (metallin virtaus ei toimi) Optimiparametrit => huokoisuus alle 1% Kriittisissä sovellutuksissa liika huokoisuus pitää poistaa => HIP 28.8.2017 24
Kuuma-isostaattinen puristus HIP Päästään ~100% teoreettisesta tiheydestä (Kuten valuilla tai hitseillä) Kriittiset komponentit sekä lentokone- että lääketieteellisessä teollisuudessa Hyöty riippuu käytetystä AM menetelmästä Optimaalisten mekaanisten ominaisuuksien vuoksi voidaan joutua tekemään erillinen hehkutus vielä HIP:n jälkeen (valujen ja muokattujen terästen ominaisuuksien saavuttamiseksi) Lämpökäsittely voidaan yhdistää HIP käsittelyyn jos laitteessa on nopea jäähdytysmahdollisuus 28.8.2017 25
Yhteenveto Tulostuksen jälkeen raekoko ja metastabiilit faasit tuottavat usein paremmat mekaaniset (lujuus) ominaisuudet kuin muokatuissa/valetuissa rakenteissa Sisäisten jännitysten minimointiin, ominaisuuksien optimointiin ja mahdollisten materiaalivirheiden eliminointiin tarvitaan lämpökäsittelyjä Jännitysten poistohehkutukset Raekoon ja mikrorakenteen optimointi Anisotropian vähentäminen Erkaumakäsittelyt HIP tai HIP+lämpökäsittely huokosten ja säröjen eliminointiin vaativissa sovellutuskohteissa (lentokoneteollisuus) 28.8.2017 26
Kysymyksiä?? 28.8.2017 27