TEKNOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS VTT OY Kuvapaikka (ei kehyksiä kuviin) Metallijauheiden valmistus ja 3D tulostuksen asettamat vaatimukset Senior Scientist Juha Lagerbom, VTT
Sisällys Markkinat AM-jauheille asetettavat vaatimukset yleensä Valmistusmenetelmät Käyttöproseduuri Kierrätettävyys Testausmenetelmät VTT:n palvelu 12.10.2017 2
Markkinat 3D-printtaus yleisesti, kuten myös metallien AM-valmistus rajussa kasvussa. EUROPM 2017 viime viikolla n- puolet esityksistä AM-aiheisia. Kokonaisuudessaan metallijauhetoimitukset n. 10 mrd. 3D-printing industry globally Source: Wohlers report 2016 Fig. 2 Forecast for metal powder additive manufacturing 12.10.2017 3
Markkinat 3D-printtauksen sovellettavuus on hinta riippuvaista. Valmistusnopeus määrittelee pääosin hinnan. Nykyinen nopeus luokkaa 100 cm 3 /h monilaserlaitteilla. Lankalaitteilla nopeampi, mutta epätarkempi. 12.10.2017 4
Markkinat, myytyjä metalliprinttereitä 12.10.2017 5
AM-menetelmät SLM/SLS selective laser melting/sintering Jauhepetisintrausmenetelmä Laser tai EB Binder jet Jauhe kiinnitetään sideaineella Filament printing Muovi ja jauhe nauhana joka sulatetaan kappaleeksi Granulina vastaavasti Nykyään myös työstökeskusten lisäosina 12.10.2017 6
AM-jauheille asetettavat vaatimukset yleensä SLM/SLS Koostumus Oikea Sopiva käyttötarkoitukseen Sopiva menetelmään Puhtaus Hapettumattomuus Kuivuus Muut epäpuhtaudet Juoksevuus Pakkaantuvuus 12.10.2017 7
AM-jauheille laadun merkitys Jauhe merkittävässä osassa Mekaaniset ominaisuudet Toistettavuus samalla laitteella Laiteiden välisten erojen merkityksen pieneneminen Virheiden määrän väheneminen laadukkailla jauheilla Pintavirheiden väheneminen AM-jauheita koskeva standardointi on käynnissä. https://www.astm.org/standards/f2924.htm https://www.iso.org/committee/629086.html ISO 4497 Metallic Powders, Determination of Particle Size by Dry Sieving (or ASTM B214 Test Method for Sieve Analysis of Metal Powders) ISO 13320 Particle Size Analysis Laser Diffraction Methods (or ASTM B822 Test Method for Particle Size Distribution of Metal Powders and Related Compounds by Light Scattering) 12.10.2017 8
AM-jauheille asetettavat vaatimukset Kitka ja gravitaatio Juoksevuudeltaan optimaalinen jauhe ei ole optimaalinen pakkaantuvuuden suhteen 12.10.2017 9
Valmistusmenetelmät Kaasuatomisointi Pyöreitä jauhepartikkeleja Hapettumattomia jauheita Tiiviitä jauhepartikkeleja Ilma-atomisointi Yleensä vaaditaan pelkistysvaihe Vesiatomisointi Jauhepartikkelien muoto epätäydellinen Saattaa tarvita pelkistyksen Sintraus/sulatus ja murskaus 12.10.2017 10
Valmistusmenetelmät 12.10.2017 11
Valmistusmenetelmät RF-plasma spheroidization Jauheiden pallotusta Voidaan pyöristää jauhepartikkeleja joiden muoto ei ole täydellinen powder RF electrical supply (MHz) plasma melting 12.10.2017 12
Kaupalliset jauheet Laite/jauhevalmistajilta saatavana koko paketti Jauheet, parametrit Erien väliset erot Erän sisällä tapahtuva vaihtelu Laitteiden väliset erot esim. lasertehossa Laadulla on hintansa 150-700 /kg, Ti kalleinta Jauheen hinta pienehkö osa kappaleen hinnasta Uudet/räätälöidyt koostumukset mahdollisia Jauheet osattava speksata Mahdollisesti seulottava tai ilmaluokiteltava SLM parametrit haettava 12.10.2017 13
Kaupalliseyt jauheet EOS ja SLM 18 Mar 300 / 1.2709 Stainless steel 17-4 / 1.4542 Hardenable stainless steel 15-5 / 1.4540 1.4404 / UNS S31673 Tooling grade steel 4PH Stainless steel 17-4PH / 1.4542 / X5CrNiCuNb17-4 ASTM F899-12b Inconel 718, UNS N07718, AMS 5662, mat. # 2.4668 Inconel 625, UNS N06625, AMS 5666F, mat. # 2.4856 CoCrMo super alloy, UNS R31538, ASTM F75 CoCrMo super alloy CoCrMo super alloy Ti6Al4V light metal Ti6Al4V ELI TiCP Grade 2, 3.7035, ASTM F67 (UNS R50400), ISO5832-2) AlSi10Mg light metal 12.10.2017 14
Käyttöproseduuri Jauheiden säilytys kuivassa suljetussa astiassa Vältetään ylipitkiä varastointiaikoja Jauheet mielellään kuivataan ja kaadetaan koneeseen välttäen ilmakosketusta. Maksimoidaan juoksevuus, vaikka ei olisikaan välttämätöntä. Laadunvarmistustesti kaikille jauheille Jauheita käsiteltäessä työsuojelulliset näkökohdat tulee ottaa huomioon. Laitteet suljettuja, mutta jauhetta vaihdettaessa ja käytettyä jauhetta seulottaessa tulee käyttää asianomaisia suojaimia. 12.10.2017 15
Kierrätettävyys Käytetty jauhe voidaan kierrättää monia kertoja Seulotaan toisiinsa tarttuneet partikkelit pois Koska prosessi tapahtuu suojakaasussa ei merkittävää hapettumaa ilmene. Uudelleen käytettävän jauheen juoksevuus usein jopa alkuperäistä parempi Agglomeroitunut seulanpäälle jäänyt osa voidaan tarvittaesa jauhaa uudelleen käyttöön Tukirakenteet ja epäonnistuneet kappaleet romunkierrätykseen eli uudelleen sulatukseen 12.10.2017 16
Testausmenetelmät (VTT) Juoksevuusmittaus Kaksi eri kartiota Pakkautuvuus Vapaa Täristetty XRD EDS Kemiallinen analyysi 12.10.2017 17
Testausmenetelmät - Mittaa voiman ja momentin jauhepatjassa alas- tai ylöspäin mentäessä. - Pakattuna tai leijutettuna. - Ei yleisesti käytössä hinnan ja tulosten tulkintavaikeuden vuoksi Jauhereometria 12.10.2017 18
VTT:n AM-jauheiden testausprofiili Kuivaus 60ºC 4 h Juoksevuus jyrkemmällä ja loivemmalla kartiolla Pakkaustiheys (apparent density) % materiaalitiheydestä Partikkelikokomittaus (Malvern mastersizer) SEM morfologia tutkimus XRD tarvittaessa Toistetaan kierrätettävälle jauheelle Suositellaan laadunvarmistukseksi kaikille. 12.10.2017 19
VTT:n palvelu tarjoama 12.10.2017 20
Core competences in powder technology in VTT Material efficiency via tailored material and production routes Phenomena and affecting parameters Multiscale material modelling ProperTune TM Materials Processes Characterisation Performance Powder development and production Metals, ceramics polymers and composites Raw material synthesis Milling systems Gas atomisation Spray drying Post treatments Consolidation 3D printing Thermal spraying Laser cladding Hot Isostatic Pressing (HIP) Powder Injection Molding (PIM) Reactive synthesis Sintering Performance Materials in service environments Degradation mechanisms Lifetime evaluation Efficient performance, profitable operation Optimised cost per production Sustainable and reliable production 21
Powder piloting service Powder manufacturing Powder consolidation Gas Atomisation Spray Drying Plasma Spheroidization Mechanical Alloying & Mixing Powder Classification Additive Manufacturing (AM) Hot Isostatic Pressing (HIP) Powder Injection Molding (PIM) Self-Propagating High Temperature Synthesis (SHS) Thermal Spraying Laser Cladding Post treatments and characterization Heat Treatments Surface Treatments Performance Testing & Validation Powder characterization 12.10.2017 22
Yhteenveto Jauhe on metallien AM-valmistuksessa ehkä merkittävin parametri Jauheen ominaisuudet ja toimivuus kannattaa testata ennen käyttöä, koska valmistus vielä kallista. Laitevalmistajien omat jauheet usein suositeltavia joskin kalliita. Räätälöidyt koostumukset mahdollisia, jos tietää mitä tekee. VTT:n palvelut käytettävissä. 12.10.2017 23
Kiitokset mielenkiinnosta Lisätietoja mm. tomi.lindroos@vtt.fi https://www.epma.com/640-introduction-to-additive-manufacturing-technologybrochure/file?thankyou=1&download=1 http://www.vtt.fi/powder 12.10.2017 24
TEKNOLOGIASTA TULOSTA