3D-Print

Image Credit: NASA/JPL-Caltech

System för 3D-printing

3D-printing i metall kan utföras genom såkallad pulverbäddsfusion (powder bed fusion) där ett lager pulver smälts lokalt av en laser eller en elektronstråle. Därefter läggs nästa lager pulver ut och smälts lokalt för att gradvis bygga upp en komponent. I detta projekt används främst SLM (Selective Laser Melting) för att tillverka komponenter åt företag. Det är en mogen teknik (”plug and play”) som redan används i produktion hos flertalet företag. I bilden nedan visas en illustration och bilder från höghastighetsfilmning hur processen ser ut (notera att laserljuset är osynligt). Nedan visas även SLM-systemet i Nivala som används inom projektet.

Processenkallas inte alltid SLM eftersom alla tillverkare har sitt eget namn för processen. En video som förklarar hur processen går till finns här.

SLM systemet som används i Nivala drivs av Future Manufacturing Technologies (FMT) vid Oulu universitet. En kort video av systemet visas här nedanför

Detta system har utbytbara byggplattformar, beroende på applikationskrav:

  • 280x280x365 mm
  • 50x50x150 mm
  • Högtemperaturplattform (uppvärmning upp till 600 degrees)

Direct Metal Deposition (DMD)

eller Direct Energy Deposition (DED) är ett alternativ till SLM för att skriva ut större komponenter. Jämfört med SLM går det fortare att bygga (högre depositionshastighet) och kostnaden per kg blir lägre. Antingen tråd eller pulver kan tillföras komponenten där en laserstråle (eller elektrisk ljusbåge) smälter på plats. Dessa metoder är inte begränsade till en kammare och kan även användas för att tillsätta ytterligare detaljer på befintlig komponent.

DMPD process.PNG

Material properties

Det finns ett urval certifierade material (pulver) för SLM-processen, där några används mer än andra och med varierande priser. Exempel på material är:

  • Al-legeringar
  • Co-legeringar
  • Ni-legeringar
  • Ti-legeringar
  • Verktygsstål
  • Rostfritt stål (316L)

Materialegenskaperna är ofta väldigt bra för 3D-printade komponenter. Däremot beror egenskaperna på flertalet parametrar där några illustreras här nedan:

Material properties

Ytfinhet

Ytfinheten beror mycket på kornstorlek hos pulvret som används (eller trådbredd och energikälla), men även orientering av arbetsstycket och lagertjocklek. I många fall kan ytorna poleras (eller blästras) ,em är inte alltid möjligt eller önskvärt. Ytfinheten är jämnare på övre ytan (pågrund av smältning) jämfört med överhängdär halvsmälta metallkorn sitter fast. Detaljfinheten är som bäst på vertikala ytor (ex för att skapa text eller grafiska mönster på sin komponent).

FMT har undersökt användning av 20 µm lagertjocklek för aluminium för att förbättra ytkvalitet (kornstorlek 20-65 µm). För små komponentdetaljer är god ytfinhet viktig. Utskriftstid ökas men ytfinheten förbättras, upp till Ra 3,2. Ovansidans ”skinn” blir bäst om ca 37% lasereffekt används jämfört med underliggande lager, men som även kan förbättras ytterligare genom att lägga till små avfasningar. Mer information kan hittas i denna rapport.

För DMD-processer blir ytfinheten sämre jämfört med SLM. Därför används oftas fräsning där toleranserna för komponenten är hög. För detta ändamål finns också hybridprocesser, där DMD och fräsning kombineras i samma maskin för att kunna fräsa till konstruktion på gradvis när komponenten byggs upp och därigenom kan bearbeta till ytor som annars inte kan nås.

Stödstrukturer

För 3D-printing används stödstrukturer under komponenttillverkningen. Dessa strukturer behöver tas bort efter att utskrift är färdig. Dessa stödstrukturer behöver också byggas och ökar på materialkostnad och tidsåtgång för utskriften, men även efterbearbetning tar längre tid. Viss kunskap om processen behövs för design av stödstrukturer. Mängden stödmaterial eftersträvas att hållas lågt men även underlätta borttagning av dessa. Samtidigt behöver de vara positionerade så att de motverkar byggfel eller deformation av komponenten. Vanliga strategier innefattar orientering av komponenten (detaljer ska inte överstiga vissa vinklar) och design av detaljer så att mängden överhäng blir lågt. I den vänstra figuren nedan är komponenten lutad för att minska stödmateriale. Notera att även byggfel av stödmaterial kan förekomma men kan åtgärdas genom procesparametrar. Om bra DfAM utförs behövs ett minimum av stödmaterial under komponenten mot byggplatan (komponent och byggplatta separeras av såg av efter utskrift).

Efterbearbetning

Utöver borttagning av komponent från byggplatta (med någon form av såg), finns även en mängd verktyg och metoder för efterbearbetning tillgängliga (även byggplattan behöver slipas till efter varje utskrift). Beroende på komponent är vissa metoder ett krav, medan andra är valbara:

  • Borttagande av stödstrukturer
  • Valbara metoder är exempelvis:
    • Uppvärmning av komponenten för att avlägsna restspänningar som uppstår av de termiska cyklerna komponenten erfar under tillverkningen
    • Fräsning
    • Blästring med sand eller glaskulor
    • Peening
    • Gängning

Projektrelaterade resultat

Utöver ovan nämnda rapporter har även fundamental ny kunskap om processning av AM skapats inom projektet och presenteras i följande rapporter:

Dessa inkluderar ökad kunskap om hur pulverpartiklar inkorporeras i smältpölen vid pulverpåsprutning (DMPD), ökad processtabilitet för DMD med tråd (DMWD) genom att även använda en laser, samt strategier som kan användas för CYCLAM-processen. Valda bilder från rapporterna visas här:

 

Detta bildspel kräver JavaScript.

Detta bildspel kräver JavaScript.

Detta bildspel kräver JavaScript.

janfrostevarg

Project coordinator