«Fabricación aditiva de metales: algunas

claves del proceso y sus implicaciones en

diseño, materiales y máquinas"

Noviembre 2016

Ámbitos

• Materiales y Procesos

• Tecnologías de unión

• Fabricación aditiva

• Industry 4.0

Datos relevantes www.lortek.es

• 60

• 13

• 4,4 M€

Ubicación

Ordizia, Gipuzkoa

Ámbitos Principales

La fabricación Aditiva en IK4 LORTEK

Primeros pasos en 2004 en la tecnología de LMD:

• Año 2005: incorporación de esta tecnología en máquina de mano de Nicolás Correa, proyecto financiado por el CDTI.

Año 2007, primera instalación de Fabricación Aditiva de Metales en el País Vasco:

• Máquina de SLM: MCP SLM Realizer 250

Año 2014, adquisición de máquina SLM 280HL

EQUIPO Potencia

(W) Producti-

vidad

Tamaño de fabricación (mm) y

volumen (litros) Materiales

MCP SLM Realizer

250

200

Media

250x250x220

13,75

Aleaciones de níquel, aceros (inox, hta.), cobalto-cromo, y

titanio.

SLM 280HL

400

Alta (x2)

280x280x350

27,44

Aleaciones de níquel, aceros (inox, hta.), cobalto-cromo,

titanio y aleaciones de aluminio

Ámbitos Principales

La fabricación Aditiva en IK4 LORTEK

IK4-LORTEK

2004 2006 2014

Índice

• Principios básicos de la tecnología SLM

• Diferencias entre máquinas de SLM

• Parámetros de proceso críticos y optimización de la densidad

Densidad de energía

Características del Polvo

Re-utilización y reciclado del polvo

• Simulación del proceso de fabricación aditiva

• Post-Procesado: HIP y tratamientos superficiales

• Proyectos

• Conclusiones

Índice

Principios básicos de la Fusión Selectiva por Láser (SLM)

Láser

Pieza

Dispensador

Plataforma

Fuente: Leistner

3D-CAD Capeado Aplicación capa

de polvo

Fusión del polvo por medio del láser

Descenso de la plataforma

Extracción pieza

Fundamentos

Máquina

Diferencias entre máquinas de SLM

Año 2014: Se vendieron 540 máquinas de fabricación aditiva de metales (Wohlers)

• Maquinas de PBF / SLM presentan diferencias de comportamiento. • IK4 LORTEK ha realizado un benchmarking

• Calibración de la fuente láser. • Sistema de escaneo y posicionamiento del haz. • Flujo de gas. • Mantenimiento limpieza de componentes: lentes, filtros, etc.

Influencia en la porosidad del sistema de escaneo: diferentes versiones del software del «scanning controller»

Influencia en la porosidad del flujo de gas en la cámara

Parámetros de proceso críticos

Parámetros de proceso críticos y optimización de la densidad

Controlling parameters in SLM process

Material characteristics Process parameters

- Thermal conductivity - Absorption coefficient - Melting point - Coefficient of thermal expansion

Laser Scan Powder Temperature

- Laser power - Spot size - Pulse duration - Pulse frequency

- Scan speed - Hatch spacing - Scan pattern

- Particle size - Particle shape & distribution - Powder bed density - Layer thickness - Material properties

- Powder bed temperature - Powder feeder temperature - Temperature uniformity

Parámetros de proceso críticos

Parámetros de proceso críticos y optimización de la densidad

Los parámetros de proceso principales se pueden describir en el concepto: DENSIDAD de ENERGÍA

E = energy density (J/mm3) P = laser power (W) v = scanning speed (mm/s) h = hatch spacing (mm) t = layer thickness (mm)

E↑↑ Porosity E↓↓ Lack of fusion

Optimisation of process parameters

Aleación de Níquel

Very low scanning speed → long interaction time between laser and powder → high energy density

causing evaporation of powder and porosity

12

Sin “start-stop”

Con “start-stop”

99.42%

99.98% Few pores < 30 μm

Estrategias para disminuir la porosidad residual:

• Ejemplo para un escaneado de tipo ajedrezado

97,0

97,5

98,0

98,5

99,0

99,5

100,0

40 50 60 70 80 90 100

Rel

ati

ve d

ensi

ty (%

)

Energy density (J/mm3)

Without skywriting

With skywriting

Parámetros de proceso críticos

Parámetros de proceso críticos y optimización de la densidad

13

Po

wd

er

1

Po

wd

er 2

Powder 2: Morfología más esférica y contenido menor de satélites

Aleación de Aluminio

ρ = 99.764%

ρ = 99.956%

Parámetros de proceso críticos

Parámetros de proceso críticos y optimización de la densidad

CARACTERÍSTICAS DEL POLVO

Re-utilización y reciclado del polvo ¿cómo afecta a las propiedades del material fabricado?

Virgin PowderFeedstock

Analysis of Powder Sample

SLM Test PartFabrication

1st iteration

Residual PowderSieving & Drying

Powder Storage

nth iteration

Mechanical & Metallurgical Analysis

Mechanical test samples

Metallurgical test samples

60x12x12mm

10x10x10mm

Se han analizado 14 ciclos de reciclado para una aleación de níquel.

Después de cada ciclo de reciclado se ha analizado: -Distribución de tamaño de partícula. -Composición del polvo. -Propiedades mecánicas.

Parámetros de proceso críticos Parámetros de proceso críticos

Parámetros de proceso críticos y optimización de la densidad

10 20 30 40 50 60

5

10

15

20

10 20 30 40 50 60

5

10

15

20

10 20 30 40 50 60

5

10

15

20

Particle Size (μm)

Fre

quency

(%)

0 10 20 30 40 50 60

0

20

40

60

80

100

10 6020 30 40 50 10 6020 30 40 50 10 6020 30 40 50

5

10

15

20

20

0

100

80

60

40

0 10 20 30 40 50 60Particle Size (μm)

Cum

ula

tive

Fre

quency

(%)

100 µm

(a) n = 1

(b) n = 14

(c)n = 1 n = 7 n = 14

n = 1

n = 7

n = 14

Distribución de tamaño de partícula

(a) (b)

Composición del polvo

1 3 5 7 9 11 13

8

9

10

11

12

En

erg

y (

J)

Iteration

Propiedades mecánicas.

Re-utilización y reciclado del polvo ¿cómo afecta a las propiedades del material fabricado?

Parámetros de proceso críticos

Parámetros de proceso críticos y optimización de la densidad

Simulación de Proceso

Simulación del proceso de fabricación aditiva

• Basado en conocimientos de simulación del proceso de soldadura. • Simulaciones rápidas y orientadas al diseño del proceso. • Aplicaciones:

• Predicción y control de distorsiones y tensiones residuales. • Simulación microestructural • Optimización diseño: orientación de la pieza • Diseño de estrategias de soportaje

Diseño de estrategias de soportaje

Material: IN 718 Machine: SLM Solutions 280 HL Number of. specimens: 3x6 3 scan strategies:

1) Chess-board 2) Longitudinal stripes 3) Perpendicular stripes

400 layers

Good correlation between numerical and experimental results

Simulación de Proceso

Simulación del proceso de fabricación aditiva

Material: IN 718 Machine: SLM Solutions 280 HL Stripe angle: 30º

DISEÑO DEL PROCESO DE FABRICACIÓN

Simulación de Proceso

Simulación del proceso de fabricación aditiva

Simulación de Proceso

Simulación del proceso de fabricación aditiva DISEÑO DE LA ESTRATEGIA DE SOPORTAJE

20

Post-Procesado

Post-Procesado: HIP y tratamientos superficiales

Fatigue limit •HIP 920 °C → 480-550 MPa •TT 850 °C → 450-468 MPa

Mejora de las propiedades a fatiga mediante HIP y tratamientos superficiales.

Aleación de Ti: Ti64

Proyectos

Proyectos

MATERIAL IN 718 Ti 64 Ti64, Co-Cr, Hastelloy X

Ti64, Al

OPTIMIZACIÓN PARÁMETROS

X X X

PROPIEDADES MECÁNICA

X X X

POST-PROCESO X

SIMULACIÓN X X X

MÁQUINA X X X

Conclusiones

Conclusiones

• Importancia de características de la máquina: benchmarking, software escaneo y flujo de gas afectan a la porosidad.

• Control de parámetros críticos para garantizar integridad del material: porosidad y agrietamiento. Densidad de energía, características polvo, control de escaneo, grado de reutilización de materia prima.

• Simulación de proceso: herramienta rápida para diseñar proceso de fabricación. Predicción de distorsiones, orientación de la pieza, diseño de soportaje, etc.

• Post proceso para mejorar calidad superficial y propiedades mecánicas, principalmente fatiga.

• Y mucho más: • Monitoring. • Multilaser • Skin-Core Technology • Certificación de proceso • Etc.

Maria San Sebastian Ormazabal Procesos de Unión. Investigador Principal

msansebastian@lortek.es