2011 11-15 themadag am voor metaal en keramiek - slm - karolien kempen - ku leuven
DESCRIPTION
Additive manufacturing voor metaal en keramiekTRANSCRIPT
Selective Laser Melting: Nieuwe materialen voor industriële
toepassingen.
Karolien Kempen
Leuven, 15.11.2011
Selective Laser Melting (SLM)
2
Onderzoeks-Topics van de AM-groep (K.U.Leuven)
• Selective Laser Melting (SLM) van metalen– 316L stainless steel– Maraging steel 300– Ti6Al4V– AlSi10Mg– M2 High Speed Steel
• Selective Laser Melting van keramieken– Direct smelten– Indirect smelten met bindermaterialen
• Software en Hardware ontwikkelingen• Proces monitoring en controle• Selective Laser Erosion en Laser Re-melting
3
Onderzoeks-Topics van de AM-groep (K.U.Leuven)
• Selective Laser Melting (SLM) van metalen– 316L stainless steel– Maraging steel 300– Ti6Al4V– AlSi10Mg– M2 High Speed Steel
• Selective Laser Melting van keramieken– Direct smelten– Indirect smelten met bindermaterialen
• Software en Hardware ontwikkelingen• Proces monitoring en controle• Selective Laser Erosion en Laser Re-melting
4
Selective Laser Melting van AlSi10Mg
5
Eigenschappen van AlSi10Mg• Samenstelling:
• Geschikt voor harding• Goede thermische geleidbaarheid: 140-170 W/mK• Lage dichtheid-sterkte ratio• Industriële (warmtewisselaar, etc.)
en luchtvaarttoepassingen
• Door hoge thermische geleidbaarheid en reflectiviteit is hoog laser vermogen vereist!
Alloying element Al Si Mg Cu Mn Zn Fewt% rest 9 - 11 0,45 - 0,6 <0,1 0,05 0,05 <0,55
AlSi10Mg – Experimentele procedure
– Concept Laser M1 machine– Twee poedersoorten– Argon atmosfeer
6Concept Laser M1-machineEigen gebouwde LM-Q machine
AlSi10Mg – Doel van onderzoek
• Vergelijking poedermaterialen
• Enkelvoudige lijnscans
• Definiëren van proces venster.Welke proces parameters (laser vermogen, scan snelheid,...)
resulteren in welke eigenschappen (dichtheid, kwaliteit, …) ?
• Gevormde microstructuur [WIP]
• Mechanische testen [WIP]
• Nabehandelingen [WIP]
7
AlSi10Mg – Vergelijking poedermaterialen
8
Vergelijking tussen twee poeders S1, S21. Chemische samenstelling
S2 - poeder: Silicium buiten grenzen van ISO-standaard- minder absorptie van laser energie- groter verschil tussen solidus en liquidus temperatuur
Element ISO 3522 S1 [wt%] S2 [wt%]
Si 9-11 9,02 8,05
Fe <0.55 0,123 0,455
Cu <0.1 0,006 0,096
Mg 0.45-0,6 0,471 0,542
AlSi10Mg – Vergelijking poedermaterialen
9
Vergelijking tussen twee poeders S1, S22. Deeltjesgrootte
S1 poeder heeft een betere vloeibaarheid en zal resulteren in een meer homogene laagdepositie
S1 poeder- d(v, 0,5) = 16,3 µm- breed bereik van deeltjesgrootte- eerder sferische morfologie
S2 poeder- d(v, 0,5) = 48,4 µm- smal bereik van deeltjesgrootte- willekeurige morfologie
AlSi10Mg – Vergelijking poedermaterialen
Vergelijking tussen twee poeders S1, S23. Relatieve dichtheid
S1 poeder bereikt een hogere dichtheid door de betere poederlaag depositie en de hogere laser absorptie. 10
92,5%
93,0%
93,5%
94,0%
94,5%
95,0%
95,5%
96,0%
96,5%
97,0%
600 800 1000 1200 1400 1600
Rel
atie
ve D
icht
heid
[%]
Scan snelheid [mm/s]
S1 powder
S2 powder
AlSi10Mg – Enkelvoudige lijnscans
Doel: Een proces venster afbakenen, gebaseerd op 4 vereisten voor de lijnscan:
1. Continue lijnscan2. Verbinding met onderliggende laag3. Voldoende hoogte op stuk op te bouwen4. Verbindingshoek van ongeveer 90°
11
AlSi10Mg – Enkelvoudige lijnscans
12
AlSi10Mg – Definiëren van Proces Venster
13
Verscheidene parameter-sets:
- Optimale dichtheid (tot 99,4%)- Optimale oppervlaktekwaliteit (Ra tot 14µm)- Optimale productiviteit
AlSi10Mg – Gevormde microstructuur
14
Oorzaak is tweërlei:- oxidevorming, verdamping- onvoldoende overlapping, ongesmolten poeder
Resterende porositeit?
Sferische poriën
Onregelmatige poriën
AlSi10Mg – Gevormde microstructuur
15
Gevormde microstructuur, specifieke korrelgroeiWarmtebeïnvloede zone
AlSi10Mg – Work In Progress
16
• Mechanische testen
- Invloed van proces parameters?- Vergelijking met gietproces?
• Nabehandelingen
- Invloed van conventionele T6 warmtebehandeling?- Aangepaste Post-SLM warmtebehandeling definiëren
Onderzoeks-Topics van de AM-groep (K.U.Leuven)
• Selective Laser Melting (SLM) van metalen– 316L stainless steel– Maraging steel 300– Ti6Al4V– AlSi10Mg– M2 High Speed Steel
• Selective Laser Melting van keramieken– Direct smelten– Indirect smelten met bindermaterialen
• Software en Hardware ontwikkelingen• Proces monitoring en controle• Selective Laser Erosion en Laser Re-melting
17
Selective Laser Melting van M2 HSS
18
Eigenschappen van M2 SnelstaalSamenstelling:
C Mn Si Cr Mo W V
M2 HSS [wt%] 0,9 0,38 0,35 3,97 4,89 6,15 1,82
Mits specifieke warmtebehandeling kunnen M2 gereedschapsstalen superieure mechanische eigenschappen bieden zoals taaiheid (tot 40J) en hardheid (tot 65HRC)
Industriële toepassingen:Snijgereedschappen en verspaningsgereedschappen zoals boren, tappen, frezen, zagen, messen, enz…
M2 HSS – Experimentele procedure
– Concept Laser M3 machine– Stikstof atmosfeer– Verwarmingsmodule tot 180°C
19
Concept Laser M3-machine
M2 HSS – Doel van onderzoek
• Enkelvoudige lijnscans
• Definiëren van proces venster. [WIP]
Welke proces parameters (laser vermogen, scan snelheid,...) resulteren in welke eigenschappen (dichtheid, kwaliteit, …) ?
• Gevormde microstructuur [WIP]
• Mechanische testen Toekomstplanning
• Nabehandelingen Toekomstplanning
20
M2 HSS – Enkelvoudige lijnscans
Doel: Een proces venster afbakenen, gebaseerd op 4 vereisten voor de lijnscan:
1. Continue lijnscan2. Verbinding met onderliggende laag3. Voldoende hoogte op stuk op te bouwen4. Verbindingshoek van ongeveer 90°
21
M2 HSS – Enkelvoudige lijnscans
22
Stijgende scan snelheid:
- toenemende hoogte van de lijnscan- Afnemende breedte en diepte van de lijnscan
-afnemende continuïteit van het smeltbad
M2 HSS – Definiëren van Proces Venster
23
Verscheidene parameter-sets:
Scheurvorming en loskomen van basisplaat:meer uitgesproken voor hoog vermogen/ lage scan snelheidOorzaak: - Residuele spanningen?
- Verschillende fasen in het stuk?
M2 HSS - Definiëren van Proces Venster
Oplossing: gebruiken van voorverwarming!
- verkleint de thermische gradiënt, dus verlaagt thermische spanningen en scheurvorming.
Resultaat:
! Ontwikkeling van nieuw verwarmingselement(hogere temperaturen)
24
Stukken geproduceerd met een voorverwarming van 180 C (maximum temperatuur):
- Scheuren sterk verminderd- Vervorming enkel voor lage scan snelheden.
M2 HSS – Gevormde microstructuur
25
Lage scan snelheid
Opmerkelijk verschillende microstructuur
- Vorm van smeltbaden- onregelmatige poriën- Donkere en lichte zones (verschillende fasen) Hoge scan snelheid
Middelhoge scan snelheid
M2 HSS – Gevormde microstructuur
26
Geleidelijke fase-overgang
Duidelijke fase-overgang &Naaldachtige martensitische structuur
Grens van smeltbad
Lage scan snelheden
- Duidelijke fase-overgang door verschil in stollingsgraad- Geleidelijke fase-overgang is de warmtebeïnvloede zone (HAZ)
M2 HSS – Work in Progress
1. Definiëren van proces venster, scheurvorming vermijden.- Parameterset vinden met hoogste dichtheid.- Laser Hersmelten toepassen om dichtheid te verhogen- Productiviteit en oppervlaktekwaliteit bestuderen
- Ontwikkeling van nieuw verwarmingselement
2. Materiaalkarakterisatie: aanwezige fasen identificeren,Gevormde carbiden identificeren, XRD en EBSD.
27
M2 HSS – Toekomstplanning
1. Mechanische eigenschappen
invloed van proces parameters? vergelijking met conventioneel geproduceerde stukken
2. Nabehandeling
conventionele warmtebehandeling toepassen op SLM-geproduceerdestukken en mechanische eigenschappen/microstructuur bekijken.
Optimale warmtebehandeling definiëren voor SLM-geproduceerdestukken.
28
Dank voor uw aandacht!Vragen?
29