Additive Fertigung mit 1.4404 (316L): Prozess- und ... · AM Prozess- und Werkstoffparameter Anforderungen an additiv gefertigte Bauteile Korrelierende werkstofftechnische Untersuchungen

Additive Manufacturing - ZPP 1

Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (www.zhaw.ch/zpp ) Andreas Kirchheim ([email protected]) Livia Zumofen, Marco Gehrig

Additive Fertigung mit 1.4404 (316L): Prozess- und Charakterisierungsergebnisse

Fachapéro Fachgruppe Mechanik & Industrie ETH Zürich 30. September 2014

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Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP) Lehre und Forschung & Entwicklung

(CAx-Prozesse, Auslegung und Simulation von Fertigungsprozessen)

3D Experience Advanced Production Technology (Additive Fertigung, 3D Printing, 5-Achsen Simultanfräsen, Fertigungsmesstechnik)

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Innovation Playground and Development (Produktentwicklung)

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Inhalt

Einleitung AM Prozess- und Werkstoffparameter Anforderungen an additiv gefertigte Bauteile Korrelierende werkstofftechnische Untersuchungen Ergebnisse Zusammenfassung


Warum Additive Fertigung?

Freiheit im Design und Konstruktion Komplexität kostet nichts Massenreduktion im Design (Leichtbau) Integration von Bauteilen und Funktionen Verkürzung der Entwicklungszeit durch hohe

Flexibilität (Rapid Prototyping) Lieferzeitverkürzung durch optimierte

Wertschöpfungskette


Konstruktion Bauteil (3D CAD Modell)

[Video]

CAD Modell in Einzelschichten zerlegen

Selektives Laserschmelzen

Fertiges Bauteil

Nachbehandlung (Reinigen, Sandstrahlen,

Schleifen, Fräsen etc.)

Additive Fertigung Selective Laser Melting (SLM)


Anforderungen an additiv gefertigte Bauteile

Beispiele

Ventilgehäuse im Behälterbau/Kryotechnik

Hoch belastete Strukturen

Leichtbau / Luftfahrt

Medizinaltechnik

Dental

Fahrzeugbau


Verfahrensprinzip

Schichtweiser Aufbau »von unten nach oben« (Hinzufügen) etc.

Auftragen einer Schicht Metallpulver

Lokales Verfestigen des Materials, Verschmelzen der Pulverpartikel mittels Laser

Absenken der Bauteilplattform und Auftragen der folgenden Materialschicht

Supportstrukturen (thermische Senke) Bildquelle: VDI 3404

Metallpulver Werkzeug- und Vergütungsstähle Ti-, Al-, Ni-, Co-Basislegierungen

Charakteristika Hoher Volumenanteil (> 99%)

Additive Fertigung Selective Laser Melting (SLM)


Laserschmelzprozess

Punktabstand p

Belichtungszeit t

Belichtungsgeschwindigkeit vS ,F (t, p)

Linienabstand hS

Schichtdicke s (µm)

Belichtungsstrategien

Brennfleckgeometrie (Fokus)

Laserleistung PL

Vorheizung Arbeitsraum (> 100 °C)

Werkstoffparameter

Grundwerkstoff

Partikelform und –grösse

Pulverzusammensetzung, Additive….

SLM-Parameter beeinflussen Gefügestruktur und Oberflächenbeschaffenheit

PL p

Bauteilorientierung im Arbeitsraum


Bauteilorientierung im Arbeitsraum Einfluss auf mechanische Eigenschaften


Konventionell

Grundmaterial (z.B. gezogener Rundstahl, gewalztes Blech)

Spanende Bearbeitung Nachbehandlung

Additiv

Metallisches Pulver Selektives Laserschmelzen z.T. spanende Nachbearbeitung Nachbehandlung

Fertigungsprozess bestimmen Werkstoff- und Bauteileigenschaften

Volumengehalt Statische mechanische

Eigenschaften – Zugfestigkeit – E-Modul – Streckgrenze – Beständigkeit gegen bersten

Dynamische mechanische Eigenschaften – Ermüdungsverhalten

Zerspanbarkeit Oberfläche Korrosionsbeständigkeit Homogenität Fertigungsfehler Dichtheit

Fertigungsprozess Werkstoff-/Bauteileigenschaften


Materialdatenblatt: 1.4404 Fertigungsprozess bestimmen Werkstoff- und Bauteileigenschaften

q.e.d. Quod esset demonstrandum!


Testmatrix: A-H: Belichtungszeit z.B. 10-115 µs 1-4: Punktabstand z.B. 10-70 µm

Parameteroptimierung Vorgehen - Testmatrix


Bestimmung des Volumengehalts


Zugprüfung 1.4404 nach DIN 50 125 SLM vs. Stangenmaterial

Schliffbild Zugprobe Nr. 1 (Volumengehalt 99.9 %)

Zugfestigkeit Bruchdehnung Streckgrenze [MPa] [%] [MPa]

ZPP 626 43 570 Dezember 2013 Strahlgeschmolzen 650 25 495 gem. Concept Laser Stangenmaterial 500-700 ≥ 40 ≥ 200 gem. Stahlschlüssel üblich: 660 üblich: 48 Üblich: 360

0

100

200

300

400

500

600

700

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Span

nung

[MPa

]

Dehnung [%]

2

3

4

5

Spannungs-Dehnungs Diagramm SLM 1.4404.


Ermüdungsuntersuchung 1.4404

Vergleich des Ermüdungsverhaltens von rostfreiem Stahl 1.4404 Stangenmaterial mit SLM bearbeitetem Material.

Umlaufbiegeversuch DIN 50113


Messungen der Oberfläche von SLM Bauteilen

D90°

E135°

B90° F90°

Messbereich Messmethode

Testobjekt Material 1.4404 Korngrösse < 63 µm

Kufen-Tastersystem


Nachbehandlung Oberfläche

elektropoliert

Ra_0° ≈ 5 µm Ra_90° ≈ 7 µm Ra_45° ≈ 6 µm Ra_135° ≈ 14 µm

trowalisiert


verchromt (sandgestrahlt)


unbehandelt


sandgestrahlt



Pulver

Korngrössenverteilung Mikroskopische Untersuchung

Pulver 1.4404 gefiltert, Nutzdauer: ca. 1.5 Jahre

Pulver 1.4404 neu


Zerspanbarkeit Cutting tests 316L turning

cutting force dynamometer cylindrical work piece ∅ 15 mm


Zerspanbarkeit Cutting tests 316L turning

Probes: l = 20 mm, diameter = 15 mm Material: 316L (Low Density Material)

1. Schnitt 2. Schnitt


Zusammenfassung Additive vs. konventionelle Fertigung

Statische mechanische Eigenschaften vergleichbar

dynamische mechanische Eigenschaften etwas schlechter (ähnlich Guss, weitere Untersuchungen notwendig)

Volumengehalt > 99,5%

Grössere Werte der Oberflächenrauigkeit

Vergrösserung des mittleren Partikeldurchmessers des Pulvers mit zunehmender Nutzung (Einfluss des Pulvers Gegenstand zukünftiger Forschung)

Dynamische Zerspankräfte aufgrund rauer Oberfläche etwas erhöht, statische Kraft vergleichbar

Berst- und Dichtigkeits-Resultate lässt Einsatz in Behälterbau und Kryotechnik zu


Anwendungsbeispiele 1.4404


Anwendungsbeispiele Werkzeugstahl, Titan


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