kvalitetskontroll vid additiv tillverkning · introduktion – kvalitetskontroll vid am utskrivna...

Kvalitetskontroll

vid additiv tillverkning

Erik Lindgren (KIMAB)

Med inspel från: Sven Karlsson (IVF), Per-Johan Wahlborg (IVF),

Sten Farre (SWECAST), Peter Lundin (KIMAB), Mikael Malmström (KIMAB)

Niclas Stenberg (KIMAB), Fredrik Wredenberg (KIMAB),

Annika Strondl (KIMAB), Joakim Ålgårdh (KIMAB)

1

Outline

• Introduktion

• Publicerad forskning

• Några pågående svenska forskningsprojekt

2

Introduktion – Kvalitetskontroll vid AM

Utskrivna komponenten/produkten (inte råmaterialet här)

• Delamineringar, porositet, restspänningar, geometriavvikelser,

sprickor, mikrostruktur

• Metallkomponenter

• Mestadels tråd och pulverbädd

Processprediktering

Processövervakning

Geometrisäkring

Oförstörande provning

3

Introduktion – Kvalitetskontroll vid AM Per-Johan Wahlborg (IVF) och Erik Lindgren (KIMAB)

Geometrisäkring

Utmaningar:

• Koordinatmätmaskiner svårt när ytans struktur ~ ej ok/ok avvikelser.

• Efterbearbetning av ytor => liknande problem som vid subtraktiv

tillverkning (hög teknikmognad).

• Åtkomst, men områden utan åtkomst samma dimensionskrav?

• Röntgentomografi: svårt med stora/helgjutna komponenter, dock

inneboende drive för ”låg densitet”.

4


Oförstörande provning: OFP/NDT - NDE/NDI

5


OFP/NDE: ”Business as usual” => klart, men… AM?

Utmaningar:

• Komplexa geometrier, låg generaliserbarhet

• Digitalt flöde, effektiv och högautomatiserad analys/tolkning

• Röntgentomografi, behövs hög defektdetekterbarhet/upplösning i

hela komponenten?

• Ytor ”as-printed” är svåra för ET+PT [1,2014]

Möjligheter:

• In-line: dela upp problemet (hantera geometrier, laga bygget) t.ex.

[2,2016], [3,2007]

• Öka generaliserbarheten: simulera (hög teknikmognad) provningen?

6


Maskintillverkarna säljer add-ons, till exempel:

• EOS (Optisk tomografi)

• Arcam (LayerQam, xQam)

• Concept Laser (QM Meltpool 3D)

7

Publicerad forskning – in-situ

Termografi/visuell provning

Dominerar publikationerna, se t.ex. review-artikeln [4,2016].

Svårigheter:

• Emissivitet (kopplar utstrålad energi till kroppens temperatur) beror

av mycket (temperatur, våglängd, ytans struktur, view-angle…)

• Termiskt brus från omgivningen

• Sputtrad metall (EBM) [5,2013]

• Högautomatiserad analys (NDE)

8


Termografi/visuell provning

Några exempel på framsteg:

Utanför kammaren, tittar på flera olika indikatorer (termisk diffusivitet,

spårar ”sprut”/”loppor”, max/min temperatur), detekterbara defekter

0.3 mm [6,2015].

Optisk tomografi, detekterbara defekter 0.3 mm, EOS, MTU Aero

Engines, Carl Messtechnik [7,2015].

Inte hittat något om POD eller false calls => citerade storlekar ganska

ointressant.

9


Ultraljud

Mottagare/sändare monterad i byggets bottenplattan [8,2015].

Enkel geometri (cylinder), svårt ändå

Tveksamt med ökande komplexitet

10


Laserultraljud

Hittills off-line

Bara ytvågen, Inconel, detekterar defekt 0.6 mm / djup 0.2 mm

[9,2014].

Inte bara ytvågen, SAFT, Ti64 & Inconel, ovansidan svårt, undersidan

porositet ner mot 0.4 mm [10,2016].

Bättre ytfinhet skulle sannolikt underlätta

11


Virvelströmsprovning/XRD

Virvelströmsprovning

• Off-line, detekterar defekt 0.4 mm / djup 0.5 mm [9,2014]

• Patent (Rolls Royce) virvelström och laserultraljud [3,2007].

Restspänningsmätning med röntgen:

• Off-line men in-situ möjligt?

• Volumetrisk metod med standard röntgenkälla (320kV) inte

synkrotron eller neutroner [11,2016].

• Pulverbädd Al, ner mot några mm djup.

12

Exempel på pågående forskningsprojekt

• Sverige

• Industrinära

• Projekt(delar) som kopplar mot kvalitetskontroll

• Viss bias mot projekt som Swerea är med i

13

Digitalisering av komplett produktionsflöde

- en förutsättning för additiv tillverkning (DINA) Niclas Stenberg och Fredrik Wredenberg (KIMAB)

Projektets mål:

• Framtagning av demonstrator som beskriver nuläget

• Kartläggning av potentialen samt definiera en roadmap

Hela flödet: design till kvalitetskontroll

Medlemmar:

Swerea, Chalmers, Jernkontoret, GKN Aerospace, Saab och Siemens

Delfinansierat av VINNOVA

14



Processimulering:

15



FAME: ”Free Additive Manufacturing Enhancer”

Vidareutvecklas i ett ÅForsk-projekt (Den virtuella 3D-skrivaren)

16

Transparens/öppen källkod


- en förutsättning för additiv tillverkning (DINA) Sten Farre (SWECAST)

Tillverka replika av gammalt motorblock:

CT-scan > STL(CAD)-fil > 3D-printa sandform > gjut i formen

CT-slice till höger, avvikelser omkring 0.1 mm (Fraunhofer EZRT)

17

Optimerad produktionsprocess för additiv

tillverkning (OPTIPAM) Joakim Ålgårdh (KIMAB)

Industrialisering

Begränsningar

Optimera hela produktionsprocessen: Design till kvalitetskontroll

Kvalitetskontroll: post-build CT, ET, UT, Lars Pejryd, Örebro Universitet

Medlemmar: Arcam AB, Lasertech LSH AB, Mid Sweden University,

SAAB Aeronautics, SAAB Dynamics, Siemens Industrial

Turbomachinery AB, SP Technical Research Institute of Sweden

(koordinator), Örebroregionen Science Park

Delfinansierat av Produktion 2030 (VINNOVA, Formas,

Energimyndigheten)

18

In-situ kvalitetskontroll med röntgen av

3D-utskrivna metallkomponenter Erik Lindgren (KIMAB)

Finansierat av ÅForsk

Låg teknikmognad (tillämpningen)

Arcam har en elektrostråle => har redan en röntgenkälla i maskinen, de

har dessutom nyss lanserat add-on med röntgendetektor (xQam).

Det påminner om SEM, men annat kan sannolikt göras också.

Inkrementell, ytnära, konceptuellt/simuleringar, vid behov experiment

hos BAM (Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung).

19

Kvalitetskontroll med laserultraljud av

3D-utskrivna komponenter Peter Lundin, Mikael Malmström och Erik Lindgren (KIMAB)

Internt projekt (SK)

Låg teknikmognad (tillämpningen)

Kontaktlöst ultraljud, in-situ

Exempel på kanske mätbara egenskaper: mikrostruktur, hårdhet,

restspänningar, spricklika defekter, porer

20

Kvalitetskontroll med laserultraljud av

3D-utskrivna komponenter Peter Lundin, Mikael Malmström och Erik Lindgren (KIMAB)

Tidiga experiment på Inconel 718 (pulverbäddsprover från Per Nylén,

Högskolan Väst)

Utmaningar: komplexa svåra signaler, ytornas beskaffenhet,

antaganden/priors, kopplingen responsvariabel & egenskap ej trivial

21

AM standarder Sven Karlsson (IVF)

• 1 uppsättning av standarder som används worldwide

• Gemensam roadmap och struktur

• Utgå från befintliga standarder som anpassas för AM

• ASTM F42 (start 2009) och ISO TC261 (start 2011) arbetar

tillsammans (start 2013) mot ett mål och gemensamma standarder

• ISO/ASTM 529xx – ny serie med gemensamma standarder

22

AM standarder – Exempel på standarder som

hänvisar till befintliga standarder Sven Karlsson (IVF)

• ASTM F 3049-14 Standard Guide for Characterizing Properties of

Metal Powders Used for Additive Manufacturing Processes

• ASTM F 3122-14 Standard Guide for Evaluating Mechanical

Properties of Metal Materials Made via Additive Manufacturing

Processes

23

AM standarder – Additiv tillverkning: SIS/TK

563 (Nyligen utgivna standarder) Sven Karlsson (IVF)

SS-ISO/ASTM 52900:2016 Additiv tillverkning – Allmänna principer -

Terminologi – ersatt ASTM F 2792-12a och ISO 17296-1

ISO 17296-2:2015 Additive Manufacturing – General Principles – Part 2:

Overview of process categories and feedstock


Main characteristics and corresponding test methods


Overview of data processing

ISO/ASTM 52915:2016 Standard specification for additive

manufacturing file format (AMF) version 1.2

24

AM standarder – Additiv tillverkning: SIS/TK

563 (Exempel på standarder under arbete) Sven Karlsson (IVF)

ISO/ASTM 52921 Standard terminology for additive manufacturing -

Coordinate systems and test methodologies

ISO/TR N0236 Design of Functionally Graded Additive Manufactured

Parts

ISO/ASTM DIS 20195 Standard Practice - Guide for Design for Additive

Manufacturing

ISO/ASTM 52901 Additive manufacturing - General principles -

Requirements for purchased AM parts

ISO/ASTM 52902 Additive manufacturing - General principles - Standard

test artifacts

ISO/ASTM 52905 Additive manufacturing - General principles - Non-

destructive testing of additive manufactured products

25

Sammanfattning

• Konventionell OFP: svårt, komplicerade geometrier, in-situ ett spår

• In-situ: många aktiviteter kring termografi och visuell provning samt

laserultraljud

• Forskningen fokuserat på in-situ processövervakning snarare än in-

situ NDE

• POD/False calls: väldigt lite

• Låg generaliserbarhet med mycket manuell handpåläggning

• Röntgentomografi kommer inte att lösa alla problem

26

Kontaktpersoner hos Swerea

Annika Strondl, Swerea KIMAB

Seyed Hosseini, Swerea IVF

Anders Gotte, Swerea SWECAST

27

Vi arbetar på vetenskaplig grund

för att skapa industrinytta.

www.swerea.se

28

Referenser

[1] Waller, Parker, Hodges, Burke, Walker, Nondestructive Evaluation of Additive Manufacturing State-of-the-Discipline Report,

NASA/TM-2014-218560, 2014.

[2] Koester, Taheri, Bond, Barnard, Gray, “Additive manufacturing metrology: State of the art and needs assessment”, Review of

Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation 1706 (2016):130001-1-130001-8.

[3] Clark, Wright, Inventors Method of Producing an Object Including Testing and/or Analysing of Object, EU-patent 2007.

[4] Everton, Hirsch, Stravroulakis, Leach, Clare, ”Review of in-situ process monitoring and in-situ metrology for metal additive

manufacturing”, Materials and Design 95 (2016) 431-445.

[5] Dinwiddie, Dehoff, Lloyd, Lowe, Ulrich, ”Thermographic In-situ Process monitoring of the Electron Beam Melting Technology

used in Additive Manufacturing”, SPIE Proceedings, 8705, 2013.

[6] Krauss, Zeugner, Zaeh, ”Thermographic process monitoring in powderbed based additive manufacturing”, Review of Progress

in Quantitative Nondestructive Evaluation 1650 (2015): 177-183.

[7] Volker, “Monitoring system for the quality assessment in additive manufacturing”, Review of Progress in Quantitative

Nondestructive Evaluation 1650 (2015): 171-176.

[8] Rieder, Dillhöfer, Spies, Bamberg, Hess, ”Ultrasonic online monitoring of additive manufacturing processes based on selective

laser melting”, Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation 1650 (2015):184-191.

[9] Rudlin, Cerniglia, Scafidi, Schneider, “Inspection of Laser Powder Deposited Layers," 11th European Conference on Non-

Destructive Testing (ECNDT 2014), October 6-10, 2014.

[10] Lévesque, Bescond, Lord, Cao, Wanjara, Monchalin, “Inspection of additive manufactured parts using laser ultrasonics”,

Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation 1706 (2016): 130003-1-130003-9

[11] Whitesell, McKenna, Wendt, Gray, “Volumetric Measurement of Residual Stress using High Energy X-ray Diffraction”, Review

of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation 1706 (2016): 110013-1-110013-8.

29

Appendix

30

AM standarder Sven Karlsson (IVF)

SK-medel redovisning | 2016-11-24 31

AM standards are crucial if we want to realize the fantastic future vision

of metal AM – J Slotwinski, NIST, chair of F42.01

Source: Klas Boivie, Sandvik

32 SK-medel redovisning | 2016-11-24

kvalitetskontroll vid additiv tillverkning · introduktion – kvalitetskontroll vid am utskrivna...

Documents