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

Samankaltaiset tiedostot
Metallien 3D-tulostuksen trendit

Välkky työpaja 2: Liiketoimintaa 3D-tulostuksella Tilaisuuden avaus

3D Printing Applications in Industry and Home

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

Välkky työpaja 1: Tilaisuuden avaus

Metallien 3D-tulostus uudet liiketoimintamahdollisuudet

3D-tulostus - uusia mahdollisuuksia koulutukseen ja kilpailukykyä yhteiskuntaan

Materiaalia lisäävä valmistus (AM) ja 3D-tulostus

Konetekniikan koulutusohjelman opintojaksomuutokset

3D-tulostustekniikat

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

Business Cafe: AM. 3D-tulostuksen tulevaisuuden näkymät ja digitaliset varaosat

LYTH-CONS CONSISTENCY TRANSMITTER

3D-tulostus - uusia mahdollisuuksia koulutukseen ja kilpailukykyä yhteiskuntaan

3D tulostus kierrätetystä materiaalista. Antti Salminen

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

Konepajamiesten seminaari, 3D-tulostuksen teknologiat

7.4 Variability management

National Building Code of Finland, Part D1, Building Water Supply and Sewerage Systems, Regulations and guidelines 2007

Efficiency change over time

3D-tulostuksen mahdollisuudet. Saarijärvi

Manufacturing 4.0. Future of Manufacturing SP3, LUT Laser

Robotiikka ja 3D-tulostus

Capacity Utilization

Suunnittelutyökalu kustannusten ja päästöjen laskentaan

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

TEST REPORT Nro VTT-S Air tightness and strength tests for Furanflex exhaust air ducts

RAIN RAKENTAMISEN INTEGRAATIOKYVYKKYYS

FYSE301(Elektroniikka(1(A3osa,(kevät(2013(

3D-tulostuksen hyödyntäminen valutuotteiden valmistuksessa. Valunkäytön seminaari, Tampere Roy Björkstrand

Puolustusvoimien tutkimuslaitos

3D-tulostuksen mahdollisuudet ruuanvalmistuksessa

Copernicus, Sentinels, Finland. Erja Ämmälahti Tekes,

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

Characterization of clay using x-ray and neutron scattering at the University of Helsinki and ILL

Stormwater filtration unit

BDD (behavior-driven development) suunnittelumenetelmän käyttö open source projektissa, case: SpecFlow/.NET.

Re-use of Surplus Foundry Sand by Composting (LIFE13 ENV/FI/000285)

Metallitulostuksen materiaalit

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

7. Product-line architectures

Tarua vai totta: sähkön vähittäismarkkina ei toimi? Satu Viljainen Professori, sähkömarkkinat

Constructive Alignment in Specialisation Studies in Industrial Pharmacy in Finland

Technische Daten Technical data Tekniset tiedot Hawker perfect plus

Tork Paperipyyhe. etu. tuotteen ominaisuudet. kuvaus. Väri: Valkoinen Malli: Vetopyyhe

Reliable sensors for industrial internet

Sini Metsä-Kortelainen, VTT

TIEKE Verkottaja Service Tools for electronic data interchange utilizers. Heikki Laaksamo

CIO muutosjohtajana yli organisaatiorajojen

Metallien 3D-tulostus

CASE POSTI: KEHITYKSEN KÄRJESSÄ TALOUDEN SUUNNITTELUSSA KETTERÄSTI PALA KERRALLAAN

The CCR Model and Production Correspondence

Other approaches to restrict multipliers

AKKREDITOITU TESTAUSLABORATORIO ACCREDITED TESTING LABORATORY

A Plan vs a Roadmap. This is a PLAN. This is a ROADMAP. PRODUCT A Version 1 PRODUCT A Version 2. PRODUCT B Version 1.1. Product concept I.

AKKREDITOITU TESTAUSLABORATORIO ACCREDITED TESTING LABORATORY

Tork Xpress Soft Multifold käsipyyhe. etu

KAAPELIN SUOJAAMINEN SUOJAMATOLLA

Yhteistyössä: 3D Boosti ja Invest. 3D Boosti materiaalia lisäävän valmistuksen kehityshankkeet Tampere, TTY

Laatu yritystoiminnan ytimessä. Junnu Lukkari

Flexbright Oy Embedded software/hardware engineer

Yksityisen sektorin rooli kestävän kehityksen tavoitteiden saavuttamiseksi kansanvälisesti

Digitalisaatio ja 3D-tulostus liiketoimintanäkökulmasta Välkky-työpaja

Sähköntuotanto energialähteittäin Power generation by energy source

VALTAKUNNALLINEN YLIOPISTOKESKUSSEMINAARI Tulevaisuuden innovaatioiden, oppimisen ja osaamisen ekosysteemejä

Capacity utilization

Returns to Scale II. S ysteemianalyysin. Laboratorio. Esitelmä 8 Timo Salminen. Teknillinen korkeakoulu

Collaborative & Co-Creative Design in the Semogen -projects

Plant protection of cereals current situation

HITSAUKSEN TUOTTAVUUSRATKAISUT

BLOCKCHAINS AND ODR: SMART CONTRACTS AS AN ALTERNATIVE TO ENFORCEMENT

Enterprise Architecture TJTSE Yrityksen kokonaisarkkitehtuuri

AKKREDITOITU SERTIFIOINTIELIN ACCREDITED CERTIFICATION BODY

Jussi Klemola 3D- KEITTIÖSUUNNITTELUOHJELMAN KÄYTTÖÖNOTTO

Infrastruktuurin asemoituminen kansalliseen ja kansainväliseen kenttään Outi Ala-Honkola Tiedeasiantuntija

16. Allocation Models

On instrument costs in decentralized macroeconomic decision making (Helsingin Kauppakorkeakoulun julkaisuja ; D-31)

Augmented Reality (AR) in media applications

KYMENLAAKSO- FINLAND S LOGISTICS CENTRE- REGION OF OPPORTUNITIES Kai Holmberg, NELI-North European Logistics Institute RIGA

Metallien 3D-tulostus Tilanne ja kehitysnäkymät Itä-Suomen Teollisuusfoorumi Joensuu,

BENTO -ohjelma. KYT seminaari,

AKKREDITOITU TESTAUSLABORATORIO ACCREDITED TESTING LABORATORY

Master's Programme in Life Science Technologies (LifeTech) Prof. Juho Rousu Director of the Life Science Technologies programme 3.1.

Asiakaspalautteen merkitys laboratoriovirheiden paljastamisessa. Taustaa

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

The role of 3dr sector in rural -community based- tourism - potentials, challenges

Sähköntuotanto energialähteittäin Power generation by energy source

Sähköntuotanto energialähteittäin Power generation by energy source

Statistical design. Tuomas Selander

Alternative DEA Models

Sähköurakoitsijapäivät, 3D-tulostus voi muuttaa maailmaa Jouni Partanen Aalto-yliopisto


Sähköntuotanto energialähteittäin Power generation by energy source

Sähköntuotanto energialähteittäin Power generation by energy source

Sähköntuotanto energialähteittäin Power generation by energy source

Miehittämätön meriliikenne

Tuhkasta uutta liiketoimintaa (TUULI)

Use of spatial data in the new production environment and in a data warehouse

Land-Use Model for the Helsinki Metropolitan Area

RINNAKKAINEN OHJELMOINTI A,

Transkriptio:

VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND LTD 3D-tulostus ja lämpökäsittely - prosessiparametrit, muodostuvat mikrorakenteet ja lämpökäsittelyt Lämpökäsittely- ja takomopäivät Tampere, 11.10.2017 Mika Sirén, VTT Oy

Sisältö 1. Määritelmä 2. Menetelmät 3. Case 1: Työkaluteräs H13 (1.2344) ominaisuudet 4. Case 2: Jauheen vaikutus AM-tulosteen ominaisuuksiin 5. Case 3: Tulostusparametrien ja tulosteen ominaisuuksien optimointi tilastollisella koesuunnittelulla 6. Case 4: Magneettimateriaalien AM-tulostus ja lämpökäsittely 7. Lopuksi 05/10/2017 2

Määritelmä

Määritelmät SFS-ISO/ASTM 52900:2016 Materiaalia lisäävä valmistus. Yleiset periaatteet. Terminologia Materiaalia lisäävä valmistus on yhteinen nimitys menetelmille, joilla fyysinen kappale valmistetaan geometriakuvauksen perusteella ainetta lisäävillä tekniikoilla. Materiaalia lisäävä valmistus, AM (additive manufacturing): menetelmä tuottaa kappaleita 3D-mallitiedon pohjalta materiaaleja yhteen liittämällä, tyypillisesti kerros kerrokselta -periaatteella, vastakohtana materiaalia poistaviin ja materiaalia muovaaviin menetelmiin Aiempia englanninkielisiä termejä: additive fabrication, additive processes, additive techniques, additive layer manufacturing, layer manufacturing, solid freeform fabrication ja freeform fabrication. 05/10/2017 4

Määritelmät (SFS-ISO/ASTM 52900:2016) suomi englanti kuvaus sideaineen suihkutus binder jetting nestemäinen sideaine kohdistetaan valittuihin kohtiin jauheen liittämiseksi suorakerrostus directed energy deposition kohdennettua lämpöenergiaa käytetään sulattamaan ja liittämään materiaali kohdennetusti pursotus material extrusion materiaali annostellaan kohdennetusti suuttimen tai reiän läpi materiaalin suihkutus material jetting raaka-ainepisarat kovetetaan kohdennetusti jauhepetisulatus powder bed fusion lämpöenergia sulattaa jauhepedin kohdennettuja alueita kerroslaminointi sheet lamination materiaalileikkeitä liitetään siten, että muodostuu kappale valokovetus altaassa vat photopolymerization nestemäinen muovi kovetetaan kohdennetusti käyttäen valoaktiivista polymerointia 05/10/2017 5

AM-valmistuksen ominaisuuksia ja mahdollisuuksia

AM characteristics Not Design for Manufacturing but Manufacturing for Design Lighter structures Better performance Customized products and short series Part consolidation Complexity without costs Localized / distributed digital manufacturing Easy entrance to market Less waste Equipment and materials (especially metallic!) still quite expensive Low building speed Not economical manufacturing technology for components which can be manufactured easily with e.g. machining Utilization of AM must bring added value Time, improved performance, customization etc. 05/10/2017 7

Increasing printing speed brings new business opportunities Cost of metal component ( /kg) 6000 5000 Functional prototypes, Support for R&D 4000 3000 Aviation Medicine Source: Wohlers report 2016 2000 1000 Car industry Engineering 0 5 10 50 200 500 1000 Source: Magnus Simons, VTT 3D printing speed ( /h) 5.10.2017 8

VTT Approach from raw materials to component performance, and vice versa 05/10/2017 9

Development steps from powder to product STEP 1: Material selection and Design Selection of material composition meeting demands of component operation conditions Evaluation of material suitability to SLM process (thermodynamics, phase structures) STEP 2: powder processing & modification to SLM Is there powder commercially available with needed properties? Modification of power properties to meet demands of SLM Production of powder with desired specs GATE 1. Does powder fill SLM process demands? Processing and modification of powders to meet process demands STEP 3: Processing parameters for SLM Design of experiment (DoE) for process parameter mapping DoE based processing parameter optimization STEP 4: Processing of test components Heat treatments, HIP, grinding, machining, polishing Specimens for lab material testing e.g. tensile tests in different orientations STEP 5: Design and manufacturing of real component Design and optimization of component for SLM process & operation conditions Manufacturing and post treating of component Component performance testing (lab and/or field testing) GATE 2. Do processing parameters lead to desired properties? GATE 3. Do material properties meet component demands? 05/10/2017 10

What is Topology Optimization? Finite element based topology optimization is a process of finding the optimal distribution of material in a given design space subject to specified boundary conditions and loads The density of each element is a design variable These densities are scaled such that 0 indicates a void and 1 indicates a solid TO is essential for utilising the AM design freedom! 05/10/2017 11

3D printed optimized hydraulic valve block Critical component of offshore hydraulic cylinder Small series, customized products Optimized mass: 489 g vs. original 1.446 kg 66% reduction! Lower footprint No drilling No plugging No leaking! Better fluid flow due to optimized fluid channels 05/10/2017 12

Case 1: Työkaluteräs H13 (1.2344) ominaisuudet

SLM H13 ominaisuudet: tiheys ja mikrorakenne Laitevalmistajan tulostusparametrit Tiheys = 99.80 % Valmistustila Kohtisuoraan tulostussuuntaan nähden (x-akseli) Optimoidut tulostusparametrit Tiheys = 99.94 % Austenitointi 1030 C sammutus 50 C öljy, Päästö 2 400 C / 2h ilmajäähdytys RT Kohtisuoraan tulostussuuntaan nähden (x-akseli) 5.10.2017 14

SLM H13 ominaisuudet: vetokoetulokset Materiaali: H13 (1.2344) R p0.2 (MPa) R m (MPa) A (%) Kovuus (HRc) Valmistustilassa, 30 µm kerrospaksuus: 55.0 Lujuus vaaka / Kovuus X-taso 784 1333 1.8 54.9 Lujuus 45 / Kovuus Y-taso 957 1474 1.4 55.3 Lujuus pysty / Kovuus Z-taso 963 1553 1.9 54.9 Jännitystenpoistohehkutuksen jälkeen: Kuumennus ilmauunissa 2 h 650 C / 2 h, 45.9 jäähdytys uunin mukana huoneenlämpöön Lujuus vaaka / Kovuus X-taso 1232 1438 4.4 46.1 Lujuus 45 / Kovuus Y-taso 1214 1432 4.7 45.8 Lujuus pysty / Kovuus Z-taso 1166 1380 7.7 45.9 Karkaistuna ja päästettynä: Austenitointi 1030 C sammutus 50 C öljy, 54.8 päästö 2 400 C / 2h ilmajäähdytys RT Lujuus vaaka / Kovuus X-taso 1553 1612 1.2 54.7 Lujuus 45 / Kovuus Y-taso 1570 1589 1.2 54.8 Lujuus pysty / Kovuus Z-taso 1633 1714 1.1 55.0 Materiaalinvalmistaja (SLM esite): - 1730 - Uddeholm Orvar supreme Austenitointi 1020 1030 C, päästö 250 C 1520 1820? 50-53 5.10.2017 15

Case 2: Jauheen vaikutus AMtulosteen ominaisuuksiin

Jauheiden erot: AISI 316L mikrorakenne Jauhe 1 Jauhe 2 Huokoisuus Kohtisuoraan tulostussuuntaan (Y-taso) Tulostussuunta (Z-taso) 05/10/2017 17

AISI 316L vetokoetulokset Materiaali: AISI316L (1.4404) Jauhe 1: valmistustila, 30 µm kerrospaksuus R p0.2 (MPa) R m (MPa) A (%) Kovuus (HV1) Lujuus vaaka / Kovuus X-taso 440 582 50.7 210 Lujuus 45 / Kovuus Y-taso 391 436 12.3 206 Lujuus pysty / Kovuus Z-taso 376 433 5.8 188 Jauhe 2: valmistustila, 30 µm kerrospaksuus Lujuus vaaka / Kovuus X-taso 566 705 30.3 258 Lujuus 45 / Kovuus Y-taso 564 690 31.0 256 Lujuus pysty / Kovuus Z-taso 485 658 33.7 246 Jauhe 1 Material Data Sheet: 30 µm kerros 550 ± 39 654 ± 49 35 ± 4 50 µm kerros 519 ± 25 633 ± 28 30 ± 5 209 ± 2 (HV10) 05/10/2017 18

Case 3: Tulostusparametrien optimointi tilastollisella koesuunnittelulla

Parameters for SLM Design of Experiments Fractional factorial DoE approach was used Three factors and three levels Goal of minimizing porosity in samples A total number of 3 3 = 27 cubic samples printed and characterised 05/10/2017 20

AISI 316L mikrorakennekuvat parametrikartalla 5.10.2017 21

Magneettimateriaalien AMtulostus ja lämpökäsittely

Magnetic properties: microstructures and heat treatment Micrographs of Fe-50Co samples in as-built condition and after heat treatment Heat treatments were done in Ar-4%H 2 atmosphere at 700 C / 2 h. Solidified scan paths are clearly visible in the as-built sample Columnar grain structure where the grains have grown in the build direction In the heat-treated sample scan paths are disappeared, but columnar structure exist 05/10/2017 23

Magnetic properties: HT and alloy optimisation Quasi-static JH-curves for Fe-35Co and Fe-50Co samples Heat treatment 700 C / 2 h High saturation magnetization ~ 2.35 T Magnetically hard, magnetic coercivity ~ 1000 A/m permeability ~ 1000 Heat treatment not optimal Too low a temperature Increased HT temperature and holding time 820 C / 10 h Still magnetically relatively hard, magnetic coercivity ~ 700 A/m permeability ~1200 Conventional heat treatment HT optimisation for SLM processed materials Better magnetic properties Lower coercivity, high permeability Ternary alloys such as FeCoV Preliminary results promising Soft magnetic alloys for higher frequency applications Increasing resistivity of alloy Other possibilities to suppress eddy currents 05/10/2017 24

Lopuksi

Kirjallisuutta Design for Additive Manufacturing Research report VTT-R-03159-16 Authors: Erin Komi Design guide for additive manufacturing of metal components by SLM process Research report VTT-R-03160-16 Authors: Petteri Kokkonen, Leevi Salonen, Jouko Virta, Björn Hemming, Pasi Laukkanen, Mikko Savolainen, Erin Komi, Jukka Junttila, Kimmo Ruusuvuori, Simo Varjus, Antti Vaajoki, Seija Kivi, Jouni Welling AM-prosessin integrointi tuotantoon metalliosien valmistuksen työvaiheet Tutkimusraportti VTT-R-03327-16 Kirjoittajat: Antti Vaajoki, Sini Metsä-Kortelainen Lisäävän valmistuksen keskeiset materiaalit ja niiden ominaisuudet Tutkimusraportti VTT-R-03997-16 Kirjoittajat: Antero Jokinen, Tuomas Riipinen 05/10/2017 26

Kiitos! Lisätietoja: Pasi Puukko: tiimipäällikkö, Advanced manufacturing technologies 040 525 1684 pasi.puukko@vtt.fi 3D tulostus kilpailutekijänä 05/10/2017 27

TECHNOLOGY FOR BUSINESS