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Fabricación aditiva en metal: introducción, tipos de tecnologías AM en metal, SLM, aplicaciones, fases del

proceso.

Ordizia, 27 de Noviembre de 2013

Introducción a la fabricación aditiva en metal

Tecnologías de fabricación aditiva en metal.

SLM (Selective Laser Melting = Fusión Selectiva por Láser).

Materiales y parámetros de selección en SLM.

Aplicaciones SLM

Fases del proceso SLM

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Concepto

Fabricación aditiva: consistente en manipular material a escala micrométrica y depositarlo, usualmente capa a capa, para crear objetos a partir de datos 3D de un modelo, de forma opuesta a las técnicas de fabricación sustractiva.

ASTM International F42 Committee on Additive Manufacturing Technologies

3 Introducción Tecnologías SLM Materiales y parámetros SLM Aplicaciones SLM Fases proceso SLM

Origen y evolución de la tecnología

→ 1987 primer equipo AM: 3D System (EEUU) → 1989 SLS: DTM 3D System → 1992 Deposición de hilo fundido FDM: Stratasys → 1998 nace la técnica EBM: ARCAM → 2000 LMD: OPTOMEC → 2003 Primer láser de fibra → 2011 equipos SLM 3ª generación


Desarrollo de la tecnología: Datos interesantes

Fuente: Terry Wohlers 2012

5

9,9% (2011)

Introducción Tecnologías SLM Materiales y parámetros SLM Aplicaciones SLM Fases proceso SLM


Tecnologías de fabricación aditiva en metal

Selective Laser Sintering (SLS) Electron Beam Melting (EBM) ExOne Laser Metal Deposition (LMD = 3D cladding) Selective Laser Melting (SLM) Comparativa entre tecnologías

Materiales y parámetros de selección SLM

Aplicaciones SLM


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Metodología de fabricación: proceso

1º Prototipado virtual: creación del modelo CAD 2° Preparación del modelo y del equipo 3° Fabricación de la pieza 4° Post-proceso.

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UV, IR, eléctrico, resistencia,…


Procesos de fabricación aditiva base polvo

Selective laser sintering (SLS) Electron beam melting (EBM) Ex One (digital part materialization) Laser Metal deposition (LMD) Selective Laser Melting (SLM)


Tecnologías aditivas: Selective Laser Sintering, SLS

Patentada por Dr. Carl Deckard y Dr. Joe Beaman en la University of Texas at Austin a mediados de los años 80. Deckard and Beaman formaron la compañia DTM. En 2001, 3D Systems el mayor competidor de DTM adquirió la compañia.


http://en.wikipedia.org/wiki/University_of_Texas_at_Austin

Tecnologías aditivas: Electron beam melting (EBM) y ExOne


//192.168.3.3/laser$/E - ESPECIALIZACIÓN/2013/CURSO ERASTEEL/article-Arcam - Additive Manufacturing with Electron Beam Melting.pdf

//192.168.3.3/laser$/E - ESPECIALIZACIÓN/2013/CURSO ERASTEEL/ExOne.pdf

Tecnologías aditivas: Laser Metal deposition, LMD

• Laser direct casting (Sears, 1999) developed at the University of Liverpool;

• Direct metal deposition (DMD; Mazumder et al., 1997) developed at University of Michigan, and commercialized by Precision Optical Manufacturing (POM); • Directed light fabrication (DLF; Lewis et al., 1994; Milewski et al., 1998b) developed at Los Alamos National Laboratories; • Laser forming (or Lasform process; Arcella and Froes, (2000)

developed by the MTS Systems Corporation and commercialized until recently by AeroMet Corporation

• Laser deposition of metals for shape deposition manufacturing (Fessler et al., 1996) developed at Stanford University; • Laser-engineered net shaping (LENS; Keicher and Miller, 1998) developed at Sandia National Laboratories and commercialized by Optomec Design Co.; • Laser powder fusion (Sears, 1999) commercialized by Huffman Corporation;


//192.168.3.3/laser$/E - ESPECIALIZACIÓN/2013/CURSO ERASTEEL/LENS/LENS_MR-7_SystemOverview_May2012.pptx

Tecnologías aditivas: Selective Laser Melting (SLM)


Tecnologías aditivas: Comparación SLM & EBM

Powder size 45-100 mm 10-45 mm


Comparativa LMD y SLM

Particle size 45-100 mm 10-45 mm


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Aplicaciones SLM


DEPÓSITO DE CAPAS DE POLVO (20-100 mm) • EXPOSICIÓN AL LÁSER. • DESCENSO DE LA PLATAFORMA DE FABRICACIÓN. PROCESO: 5 – 20 cm³/h PROCESO AUTOMATIZADO Y QUE PERMITE INTEGRACIÓN CAD/CAM MATERIALES PROCESABLES: Acero inoxidable, acero de herramientas, aluminio, cobalto-cromo, inconel, titanio.



Selective Laser Melting, SLM VENTAJAS

Componentes con forma compleja y única a partir de polvo Funcionalización de superficies Estructuras livianas Superficies micro y nanoestructuradas Partes de multimateriales (en desarrollo) Propiedades muy similares a PM, casting, wrought.

DESVENTAJAS Elevada rugosidad superficial Altas tensiones residuales Propiedades anisotrópicas Difícil evacuación del polvo en pequeños canales Costo elevado de las máquinas de SLM Voladizos (overhangs)

¿Por qué SLM?


Selective Laser Melting, SLM



• “Boundary”: Contorno exterior, límite de la pieza. • “Fill Contour”: Contorno o contornos paralelos al límite. • “Hatch”: Líneas que escanean el área de escaneo entre los contornos. • “Skin Hatch”: Estrategia de escaneado para la superficie exterior. Éste refunde el contorno exterior

de la pieza para obtener un acabado superficial óptimo.

• “Stripe”: División del “hatch” para realizar el escaneado de menor longitud. • “Stripe size”: Tamaño del “stripe”. • “Support”: Geometrías que se generan para soportar estructuras voladizas o curvas que de otra

manera se desprenderían.



Manufacturing parameters ZONE

Hatch Boundary Contour

Potencia (W) 200 80 80

Exposure time (µs) 286 333 200

Solape en X y Y (mm) 50 --- ---

Espesor de capa (µm) 50 50 50

Tamaño del spot (mm) 200 180 180

Velocidad de escaneo (mm/s) 350 300 500



Escaneado unidireccional y bidireccional

Estrategia de escaneado alternando por capa en X e Y

Diferentes trayectorias de escaneado en una capa. a) Filas primero; b) Columnas primero; c) Con "stripes"; d) Ajedrezado


• Permite fabricar: Productos con formas / diseños complejos

Productos aligerados

Productos ergonómicos.

Productos con series cortas.

• Reduce errores de montaje y los costes asociados a ellos.

• Reducción de costes asociados a utillaje.

• Menor impacto medioambiental.

• Limitada disponibilidad y el coste de los materiales.

• Tamaño limitado de piezas. • Algunas equipos de AM requieren

una inversión alta. • A día de hoy desconocimiento de la

dinámica del proceso. • Acabado superficial de las piezas y

velocidad de fabricación. • Manipulación de materia prima en

polvo.

VENTAJAS DESVENTAJAS

Tecnologías aditivas



Tecnologías de fabricación aditiva en metal

SLM (Selective Laser Melting = Fusión Selectiva por Láser)

Materiales y parámetros de selección en SLM

Morfología Composición química Granulometría Fluidez Densidad

Aplicaciones SLM


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Materiales

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MATERIAL PROPIEDADES DEL MATERIAL APLICACIONES PRINCIPALES ALEACIONES

Acero

inoxidable

Resistente a la corrosión

Buenas propiedades mecánicas

Electrodomésticos, automoción, construcción,

industria, medicina (implantes e instrumental

quirúrgico).

316L(1.4404); 1.4410

Acero

de herramientas

Dureza superficial alta


Fácil mecanizado

Moldes para inyección de plásticos, implantes

médicos, aplicaciones marítimas, husillos y

tornillos, cuchillería y baterías de cocina.

H13 (1.2344); 1.4542 (17-

4PH); 1.7228 (50CrMo4);

1.4541 (CLC 18-10Ti);

1.4313 (CrNiMo 13-4)

Aluminio Buenas propiedades mecánicas y eléctricas

Buena procesabilidad (moldeo y por presión)

Automoción, aeronáutica y bienes de

producto.

AlSi12; AlSi10Mg; AlSi7Mg;

AlSi9Cu3; AlMg4,5Mn0,4

Cobalto cromo

Alta dureza

Gran resistencia a la corrosión y al desgaste


Biocompatible.

Implantes médicos, dental y para altas

temperaturas. CoCrASTM F75: Co212f

Inconel Alta resistencia a la corrosión y tracción

Excelente soldabilidad

Aeronáutica, turbinas de gas, motores, naves

espaciales, transbordadores aeroespaciales,

reactores nucleares, bombas…

Inconel 625; Inconel 718;

Inconel HX (2.4665)

Titanio



Biocompatible

Fácil mecanizado

Implantes, aeronáutica, Formula1, diseño y

joyería y aplicaciones marítimas.

TiAl6V4; TiAl6Nb7;

Ti (Grade 1)


Acero inoxidable y de herramientas

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Mechanical Data 1.4404 (316L)

1.4404 Conventional

1.2344 (H13)

1.2709

Tensile strength Rm [MPa] 625 (±30) 500-700 1730 (±30) 1110 (±30)

Offset yield stress Rp0,2 [MPa] 525 (±30) 200 - 985 (±30)

Hardness 237 HV (±4) <215 54 HRC (±2) 51 HRC

(±2)

Bar impact value [J] 75 (±4) 100/60² - -

Thermal conductivity [W/mK] 15 10 25,6 15

Surface roughness RZ X/Y [ μm

] 16 (±2) 13 (±2) 12 (±2)

Surface roughness RZ Z [ μm ] 38 (±4) 34 (±4) 35 (±4)


Aluminio

27

Mechanical Data Al Si 12

Tensile strength Rm [MPa] 409 (±20)

Offset yield stress Rp0,2 [MPa] 211 (±20)

Hardness 105 HB (±1)

Breake strain A [%] 5,1

Surface roughness RZ X/Y [ μm ] 15 (±2)

Surface roughness RZ Z [ μm ] 34 (±4)


Cobalto Cromo

28

Mechanical Data CoCr ASTM F75

Tensile strength Rm [MPa] 1050 (±20)

Offset yield stress Rp0,2 [MPa] 835 (±20)

Hardness 35 HRC (±1)

Thermal conductivity [W/mK] 11-14

Surface roughness RZ X/Y [ μm ] 17 (±2)

Surface roughness RZ Z [ μm ] 29 (±4)


Inconel

29

Mechanical Data HX 625 625

Conventional 718

718 Conventional

Tensile strength Rm [MPa] 910 680 820-1050 1200 >1230

Offset yield stress Rp0,2 [MPa] 400 410 415 950 1030

Breake strain A [%] 35 30 30 24 12

Thermal conductivity at 20°

C[W/mK] 11,6 11,4 10 11,5 13

Surface roughness RZ X/Y [

μm ] 14 14 15

Surface roughness RZ Z [ μm ] 28 28 30

*Values for annealed samples


Titanio

30

Mechanical Data Ti Al6Nb7* Ti Al6V4* Reintitan

pure titanium

Tensile strength Rm [MPa] 1185 (±30) 960 (±30) > 290

Offset yield stress Rp0,2 [MPa] 1100 (±35) 815 (±40) > 180

Hardness 39,4 HRC (±2) 37,3 HRC (±2) > 120

Breake strain A [%] 11 - 18 10 - 18 > 20

Thermal conductivity at 20° C[W/mK] 7 7,1 22,6

Surface roughness RZ X/Y [ μm ] 14 (±2) 14 (±2) 14 (±2)

Surface roughness RZ Z [ μm ] 36 (±4) 36 (±4) 36 (±4)

*Values for annealed samples


Morfología del polvo

Morfologías obtenidas mediante diferentes procesos: a) Sinterizado y cuarteado b) Atomizado por agua c) Atomizado por gas d) Aglomerado y sinterizado e) Densificado por plasma f) Mezclado.


Morfología del polvo: sinterización por gas

• Proceso más adecuado para la obtención de partículas esféricas es la sinterización por gas.

• El principio de la atomización consiste en una corriente continua de metal líquido que se parte en gotas por el choque de un chorro de gas.

• Una vez de que se haya realizado la fragmentación el polvo resultante se tamiza y se refina en un horno con atmósfera reductora.


Composición química


Granulometría

Para determinar el tamaño de grano o granulometría se utiliza la difracción por láser, la cual ofrece un histograma de tamaños de partículas, y la gráfica obtenida debe ser de forma gaussiana. En el caso del SLM el fabricante especifica que el 80% de polvo debe estar entre 20 y 35 µm, con una media de 28 µm.


35





Aplicaciones SLM


Sector médico-sanitario • Necesidad de fabricación de piezas únicas y PERSONALIZADAS • Es un sector de alto valor añadido por tratar con aspectos que afectan a la calidad

de vida Piezas dentales

Fuente: Concept Laser


Implantes articulares

IK4 LORTEK

Concept Laser

IK4 LORTEK

Concept Laser


Scaffolds

Funcionalización • Biocompatibilidad • Modificación superficial (Técnicas

electroquímicas y electropulido) • Aleaciones de Ti para largos periodos • CoCr y AISI 316L para cortos periodos • Osteintegración

IK4 LORTEK IK4 LORTEK


Implantes de oído

• Fabricación a medida • Dispositivos mas livianos • Optimización de diseño • El 99% de los implantes de oído se

fabrican mediante AM • Más de 10 millones de personas

utilizan estos componentes

Materialise


Sector de automoción • Actualmente se utiliza para la fabricación de prototipos y la validación de nuevos

componentes


Sector de automoción

• Fabricación de pequeñas series • Libertad de diseño • Uso más eficiente del material • Eliminación del tiempo de diseño de moldes

Concept Laser

Concept Laser

Concept Laser


Sector de molde y matricería • Posibilidad de fabricar moldes o partes de un molde con canales de refrigeración

con geometrías libres, optimizando la refrigeración

Concept Laser

Concept Laser

IK4 LORTEK


Sector de la joyería • Se inició como medio para el prototipado rápido de los diseños • Actualmente está evolucionando hacia la personalización de los productos con

geometrías complejas • El avance está restringido por la limitación en la gama de materiales • A día de hoy técnicamente es posible utilizar oro y plata, aunque el coste de la

materia prima y su compleja gestión son limitantes

Fuente: Concept Laser


Sector aeronáutico • Los bajos volúmenes de fabricación, el compromiso entre la resistencia mecánica

y peso, la personalización y la necesidad de utilizar geometrías complejas hace que el AM encaje perfectamente

Concept Laser

SLM Solutions


Sector del arte

EOS

IK4 LORTEK IK4 LORTEK


Otros componentes

• Proyecto FUSKITE® cuyo objetivo era demostrar a escala la posibilidad de

recuperación de tritio en reactores de fusión, como el ITER. • Parte del demostrador (diseñado y fabricado por SENER) es un permeador de

vacío 47 Introducción Tecnologías SLM Materiales y parámetros SLM Aplicaciones SLM Fases proceso SLM

Fabricación aditiva al alcance de todos







Aplicaciones SLM



VIDEOS DEFINITIVOS PARA JORNADA\PROCESO DE PREPARACION ANTES DE MAQUINA .avi

VIDEOS DEFINITIVOS PARA JORNADA/PROCESO DE PREPARACION ANTES DE MAQUINA .avi






IMPORT Y APLICACIÓN DE PARAMETROS Y ESTRATEGIAS EN SLM


IMPORT DE SOPORTES, ALINEADO EN Z Y MERGE


IDEM ANTERIOR EN PERSPECTIVA


HOJA DE MATERIAL DATA: PARÁMETROS


VECTORIZADO DE LAS CAPAS: SLICE Nº 0


SLICE Nº 71


SLICE Nº 71: DETALLE


SLICE Nº 72


SLICE Nº 72: DETALLE


VISTA DE LA PIEZA Y SOPORTES TOTALMENTE VECTORIZADA


IDEM ANTERIOR EN PERSPECTIVA

• Tecnología nueva (20 años) con un crecimiento importante. • Optimización de procesos de manufactura, agilizando obtención de modelo, moldes,

piezas, etc. De elevada complejidad → desplaza procesos convencionales de mecanizado.

• Posibilidad de optimizar procesos de diseño • Optimización de tiempos de procesado, diseño, aligeramiento y adaptación a piezas

más complejas, más pequeñas a menos coste y contaminación (GREEN TECHNOLOGY)

• Manipulaciones previas del material, post-procesado, control de calidad • Acabado superficial de las piezas y velocidad de fabricación • Tamaño limitado de piezas • Coste de los equipos • Desconocimiento por parte de los diseñadores industriales • Aumentar la producción → limitada a prototipos o preseries • Aumentar la cuota de mercado en sectores claves (automoción y aeronaútico)

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From material removal (Stone Age through today)

To Additive Manufacture (tomorrow)

GRACIAS

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