3D print

3D printing systemer

Metall 3D-printing utføres enten ved å ha et flatt pulverlag og lokalt smelte materialet med en laser- eller elektronstråle, eller ved å avsette pulver- eller trådmateriale og lokalt smelte det tilførte materialet med en laser eller lysbue. I dette prosjektet brukes Selective laser melting (SLM, en fusjonsteknikk med pulverseng) for å produsere komponenter til bedrifter. Det er en moden teknikk («plug and play») og allerede brukt i produksjon mange steder. I figuren nedenfor kan du se en skjematisk oversikt over SLM -prosessen, samt bilder av høyhastighetsbehandling (merk at laserlyset er usynlig her). 

En guide for bruk av SLM -maskinen og designtrinnene før utskriften finner du her: 2_1 Guide for metal printing_English

Prosessen er ikke alltid kalt SLM, siden alle produsenter for tiden har sitt eget navn på prosessen. En god video som forklarer hvordan prosessen fungerer, er denne videoen

SLM-systemet som brukes i dette prosjektet ligger i Nivala og drives av Future Manufacturing Technologies (FMT) ved Uleåborg universitet. 

Dette systemet har utskiftbare plattformstørrelser, avhengig av applikasjonskrav: 

  • 280x280x365 mm 
  • 50x50x150 mm 
  • Plattform for høy temperatur (oppvarming opptil 600 grader)

Direct metal deposition (DMD) 

Eller Direct Energy Deposition (DED) er et alternativ for SLM når du printer ut større komponenter. Enten metalltråd eller pulver kan deponeres i laserstrålen, og det er ikke begrenset til å fungere i et skap. Disse teknikkene har høyere deponeringshastigheter og kan også bygge på allerede eksisterende deler for å legge til funksjoner. 

Materialegenskaper 

Det er noen få sertifiserte materialer (pulver) for SLM -prosessen. Noen brukes mer enn andre og med varierende priser. Eksempler er: 

  • Al-legeringer 
  • Co-legeringer
  • Ni-legeringer
  • Ti-legeringer 
  • Verktøystål 
  • Rustfritt stål 

Materialegenskapene er ofte veldig gode for 3D-printede komponenter. Egenskapene er imidlertid også avhengige av en rekke parametere, noen få er illustrert her: 

En 3D print kostnadsanalyse ved bruk av SLM-prosessen avslører at materialkostnadene er sekundære til behandlingskostnadene. Eksempel på kostnader brukt: maskin/time 80 €, aluminium 48 €/kg, 316L 43 €/kg ja titan 300 €/kg. Volumkostnad av titan 4 ganger 316L og 10 ganger aluminium. Materialkostnad bare en brøkdel av den totale kostnaden -> titanium kan være billigere enn den samme delen i rustfritt stål (316L)! 

Materiale og lagtykkelsePrinting tid [h]Materialkostnad / stkMaskin tid / stk€ / stk
AlSi10Mg 60 µm5,020,14 €4,62 €4,76 €
AlSi10Mg 30 µm11,470,14 €10,54 €10,68 €
316L 50 µm26,630,36 €24,49 €24,85 €
316L 30 µm35,700,36 €32,83 €33,19 €
Titanium 50 µm22,751,44 €20,92 €22,36 €
Titanium 30 µm36,571,44 €33,62 €35,06 €

Overflategrovhet 

Overflategrovheten er sterkt avhengig av pulverpartikkelstørrelsen (eller trådbredden), men også orienteringen av arbeidsstykket og produsert lagtykkelse. I de fleste tilfeller kan overflater poleres (eller kuleblåses med sand/glass), men dette er ikke alltid mulig eller ønsket. Overflatekvaliteten er jevnere på den øvre delen av en overflate (på grunn av smelting), sammenlignet med overheng der halvsmeltede pulverpartikler smelter sammen. Detaljoppløsning er best på vertikale overflater (f.eks. For å produsere tekst eller strukturert grafikk på komponenten). 

FMT har undersøkt bruk av 20 µm lagtykkelse i aluminium (AlSi10Mg) for å forbedre overflatekvaliteten (partikkelstørrelse 20-65 µm). For små komponentfunksjoner er god overflatekvalitet viktig. Printing tiden økes, men overflategrovheten blir forbedret, med mulig Ra på 3,2. På den øvre delen var «skin» best når den hadde 37% laserkraft sammenlignet med underlag, som også kan forbedres ved å legge til små avfasninger. Mer informasjon finnes i denne rapporten.

For DMD-prosessen er overflaten generelt mer ujevn enn SLM-produserte deler. Derfor er etterbehandling (fresing) enda mer nødvendig hvis toleransene for produserte komponenter er høye. For dette formålet er det også hybridmetoder, der DMD og fresing kombineres i en maskin for å kunne frese på visse områder av komponentene under byggingen (som ellers ville være vanskelig å nå). 

Støttestrukturer

Ved 3D-printing er det nødvendig med støttestrukturer under komponentbehandling. Disse strukturene må fjernes etter prosessering. De bruker også materiale og er derfor en del av produksjonskostnadene og bidrar til etterbehandling av den 3D-printede komponenten. Noe kunnskap om prosessen er nødvendig når du designer disse. Mens du holder mengden støttestruktur lav og gjør det enkelt å fjerne under etterbehandling, må du fortsatt ha den plassert godt nok til å forhindre svikt i støtten eller deformasjon av delen. Vanlige strategier innebærer rotasjon av komponenten og design for å holde overhengene lave og arbeidsstykkets vinkler i visse laterale vinkler. I venstre figur nedenfor er komponenten vippet for å redusere mengden støtte som trengs, mens prosessinnstillingene for støttestrukturen først var feil, noe som førte til deformasjon av komponenten. I den høyre figuren vurderes vinkler gjennom hele arbeidsstykket, slik at bare en minimal mengde er nødvendig for bygge platen (alltid nødvendig). 

Etterbehandling 

I tillegg til de nødvendige sag komponentene til bygge platen (også sliping, polering og grovsliping av grunnplaten før neste bygging), finnes det en rekke etterbehandlingsverktøy. Avhengig av komponenter kreves noen, mens noen er valgfrie:

  • Fjerning av støttestrukturer 
  • Oppvarming av komponenten for å avlaste stress på grunn av de termiske syklusene komponenten har opplevd under produksjonen 
  • Valgfri overflatebehandling, f.eks.
    • Fresing 
    • Sand- eller glassballsprengning 
    • Peening 
    • Gjenging

Prosjektrelaterte resultater 

I tillegg til ovennevnt prosess rapportene, er grunnleggende prosesskunnskap generert og presentert i disse rapportene: 

Dette inkluderer forbedret kunnskap om pulveroppsamling i DMD -prosessering med pulver (DMPD), forbedret prosess stabilitet i DMD -behandling med wire (DMWD) ved å legge til en laser og strategier for bruk av CYCLAM -prosessen. Utvalgte bilder for disse er vist her: