Additive manufacturing voor metaal en keramiek

1. Leuven, 15.11.2011
Selective Laser Melting:
Nieuwe materialen voor industriële
toepassingen.
Karolien Kempen

2. Selective Laser Melting (SLM)
2

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
3

4. 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

5. Selective Laser Melting van AlSi10Mg
Eigenschappen van AlSi10Mg
• Samenstelling:
Alloying element Al Si Mg Cu Mn Zn Fe
wt% rest 9 - 11 0,45 - 0,6 <0,1 0,05 0,05 <0,55
• 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! 5

6. AlSi10Mg – Experimentele procedure
– Concept Laser M1 machine
– Twee poedersoorten
– Argon atmosfeer
Eigen gebouwde LM-Q machine Concept Laser M1-machine 6

7. 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

8. AlSi10Mg – Vergelijking poedermaterialen
Vergelijking tussen twee poeders S1, S2
1. Chemische samenstelling
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
S2 - poeder: Silicium buiten grenzen van ISO-standaard
- minder absorptie van laser energie
- groter verschil tussen solidus en liquidus temperatuur
8

9. AlSi10Mg – Vergelijking poedermaterialen
Vergelijking tussen twee poeders S1, S2
2. Deeltjesgrootte
S1 poeder S2 poeder
- d(v, 0,5) = 16,3 µm - d(v, 0,5) = 48,4 µm
- breed bereik van deeltjesgrootte - smal bereik van deeltjesgrootte
- eerder sferische morfologie - willekeurige morfologie
S1 poeder heeft een betere vloeibaarheid en zal resulteren in een
meer homogene laagdepositie 9

10. AlSi10Mg – Vergelijking poedermaterialen
Vergelijking tussen twee poeders S1, S2
3. Relatieve dichtheid
97,0%
S1 powder
96,5%
S2 powder
Relatieve Dichtheid [%]
96,0%
95,5%
95,0%
94,5%
94,0%
93,5%
93,0%
92,5%
600 800 1000 1200 1400 1600
Scan snelheid [mm/s]
S1 poeder bereikt een hogere dichtheid door de betere poederlaag depositie
10
en de hogere laser absorptie.

11. AlSi10Mg – Enkelvoudige lijnscans
Doel:
Een proces venster afbakenen, gebaseerd op 4 vereisten
voor de lijnscan:
1. Continue lijnscan
2. Verbinding met onderliggende laag
3. Voldoende hoogte op stuk op te bouwen
4. Verbindingshoek van ongeveer 90°
11

12. AlSi10Mg – Enkelvoudige lijnscans
12

13. AlSi10Mg – Definiëren van Proces Venster
Verscheidene parameter-sets:
- Optimale dichtheid (tot 99,4%)
- Optimale oppervlaktekwaliteit (Ra tot 14µm)
- Optimale productiviteit
13

14. AlSi10Mg – Gevormde microstructuur
Resterende porositeit?
Sferische poriën
Onregelmatige poriën
Oorzaak is tweërlei:
- oxidevorming, verdamping
- onvoldoende overlapping, ongesmolten poeder
14

15. AlSi10Mg – Gevormde microstructuur
Gevormde microstructuur, specifieke korrelgroei
Warmtebeïnvloede zone 15

16. AlSi10Mg – Work In Progress
• Mechanische testen
- Invloed van proces parameters?
- Vergelijking met gietproces?
• Nabehandelingen
- Invloed van conventionele T6 warmtebehandeling?
- Aangepaste Post-SLM warmtebehandeling definiëren
16

17. 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

18. Selective Laser Melting van M2 HSS
Eigenschappen van M2 Snelstaal
Samenstelling:
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…
18

19. M2 HSS – Experimentele procedure
– Concept Laser M3 machine
– Stikstof atmosfeer
– Verwarmingsmodule tot 180°C
Concept Laser M3-machine
19

20. 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

21. M2 HSS – Enkelvoudige lijnscans
Doel:
Een proces venster afbakenen, gebaseerd op 4 vereisten
voor de lijnscan:
1. Continue lijnscan
2. Verbinding met onderliggende laag
3. Voldoende hoogte op stuk op te bouwen
4. Verbindingshoek van ongeveer 90°
21

22. M2 HSS – Enkelvoudige lijnscans
Stijgende scan snelheid:
- toenemende hoogte van
de lijnscan
- Afnemende breedte en
diepte van de lijnscan
-afnemende continuïteit
van het smeltbad
22

23. M2 HSS – Definiëren van Proces Venster
Verscheidene parameter-sets:
Scheurvorming en loskomen van basisplaat:
meer uitgesproken voor hoog vermogen/ lage scan
snelheid
Oorzaak: - Residuele spanningen?
- Verschillende fasen in het stuk? 23

24. M2 HSS - Definiëren van Proces Venster
Oplossing: gebruiken van voorverwarming!
- verkleint de thermische gradiënt, dus verlaagt thermische spanningen
en scheurvorming.
Resultaat:
Stukken geproduceerd met een
voorverwarming van 180 C
(maximum temperatuur):
- Scheuren sterk verminderd
- Vervorming enkel voor lage scan
snelheden.
! Ontwikkeling van nieuw verwarmingselement
(hogere temperaturen) 24

25. M2 HSS – Gevormde microstructuur
Opmerkelijk verschillende
microstructuur
Lage scan snelheid
Middelhoge scan snelheid
- Vorm van smeltbaden
- onregelmatige poriën
- Donkere en lichte zones (verschillende fasen) Hoge scan snelheid 25

26. M2 HSS – Gevormde microstructuur
Lage scan snelheden Geleidelijke fase-
overgang
Duidelijke fase-overgang
&
Naaldachtige
martensitische structuur
Grens van smeltbad
- Duidelijke fase-overgang door verschil in
stollingsgraad
- Geleidelijke fase-overgang is de
26
warmtebeïnvloede zone (HAZ)

27. 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

28. M2 HSS – Toekomstplanning
1. Mechanische eigenschappen
 invloed van proces parameters?
 vergelijking met conventioneel geproduceerde stukken
2. Nabehandeling
 conventionele warmtebehandeling toepassen op SLM-geproduceerde
stukken en mechanische eigenschappen/microstructuur bekijken.
 Optimale warmtebehandeling definiëren voor SLM-geproduceerde
stukken.
28

29. Dank voor uw aandacht!
Vragen?
29