SLS-Qualitätsmanagement Schlüssel zum Erfolg für Additive ... · muss sich an der SLS-Prozesskette und den Haupteinflussparametern orientieren:-Equipment - Material - Produktions-,

1

1inspire irpd – ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 1www.inspire.ethz.ch/irpd Schmid 2010 © inspire AG

SLS-Qualitätsmanagement

Schlüssel zum Erfolg fürAdditive Manufacturing (AM)

Dr. Manfred Schmid

Inspire AG, Institut für Rapid ProductDevelopment (irpd), St. Gallen, Schweiz


Agenda

One of the biggest hurdles faced by Additiv Manufacturing is part quality

Terry Wohlers, Wohlers Report 2007

� Einleitung, Institut irpd � Qualität(Q): Management und Kosten� SLS-Prozess und Q-Aspekte� Q-Massnahmen bei irpd� Zusammenfassung

2


Einleitung: Inspire AG


Selective Laser Sintering (SLS)LaserCUSING® (SLM)

3D-Printing (3DP)

KernkompetenzenRapid Prototyping (RP)

Additiv Manufacturing (RM)

ConformalCooling

Reverse Engineering

MedicalManufacturing

Process and Material development

� Forschung, Produktion, WTT

Einleitung: Institut irpd

3


CEO

Production & SalesResearch & Development

feedback vom Markt

Einleitung: Institut irpd

Forschungsinstitut mit Produktion!Teileproduktion

60-70% des Budgets

Fit for Industry


Agenda

� Einleitung, Institut irpd

� Qualität(Q): Management und Kosten

� SLS-Prozess und Q-Aspekte

� Q-Massnahmen bei irpd

� Zusammenfassung

4


Qualität und Qualitätsmanagement

Qualität ist die Erfüllung von Anforderungen/Erwart ungen!

� Anforderungen müssen bekannt sein um Qualität zu liefern

� Qualität kann stark mit den Erwartungen variieren

� Qualität bei Additiv Manufacturing variiert mit den Teilen

� Quantitative Messgrössen um AM-Qualität zu messen?

� Qualität über längere Zeiträume sicherstellen

Qualitätsmanagement bezeichnet die Summe der Q-Massnahmen welche zur Erzielung von Qualität erforderlich sind.


Quelle: Roadmap ALM 2009 D. Bourell et al.

Qua

lität

und

S

tand

ards

AM Roadmap (2009) - tree of applications

Unterschiedliche Teile haben

unterschiedliche Q-Anforderungen

Dekorativ

Oberfläche

Funktional

Genauigkeit

Struktur

Eigenschaften

Medizin

Biocompatibilität

5


Q-Kosten

Qualität im Spannungsfeld von Zeit und Kosten (QTK- Dreieck)

Wettbewerbsfaktoren: Qualität, Zeit und Kosten

Paradigma:• Qualitätsverbesserung führen zu

Kosten- bzw. Zeiterhöhungen• Kosten- bzw. Zeiteinsparungen gehen zu

Lasten der Qualität

Forderung für AM:• Qualitätsverbesserungen dürfen nicht zu

Kostenerhöhungen führen• Kosteneinsparungen dürfen nicht zu Lasten

von Qualität gehen Quelle: Internet Akademie


Q-Kosten

Quelle: Prof. Dr.-Ing. Gerd F. Kamiske

6


Overhead and Quality Cost > 50%Material

Labor

Qualität

Overhead

Estimated Cost Model of LS Manufacturing(servicing High-Tech OEMs)

Raw MaterialLaborQualityOverhead

Quelle: ODM Proprietary

Q-Kosten


Agenda

� Einleitung, Institut irpd

� Qualität(Q): Management und Kosten

� SLS-Prozess und Q-Aspekte

� Q-Massnahmen bei irpd

� Zusammenfassung

7


Ein Q-Konzept für Additive Manufacturingmuss sich an der SLS-Prozesskette und den Haupteinflussparametern orientieren:

- Equipment- Material- Produktions-, und Batchparameter- AM-Teil und Finish- Datenqualität

Besonders der Punkt ‘Material’ ist für SLS von besonderer Bedeutung! � Es werden Mischungenaus Neu- und Gebrauchtpulver eingesetzt;

SLS Prozess und Q-Konzept



8


System fitness:• Logbuch• Kontrolle & Kalibration des Equipment

Kontroll Aktivitäten and präventive Instandhaltung:• periodical cleaning activities, upgrade of software• periodical check of laser and optical system• periodical check of temperature control• periodical check of inert gas supply• periodical replacement of wear parts (filter, scraper,…)

Periodische Produktion von speziellen Benchmark is nec essary:• Gewicht (Dichte), Scalierung check, Toleranzen, beam offset• Oberfläche (unterschiedliche Orientierungen)• Härte (e.g. Vicat),

ProducerSystemfitness

preventive maintanance

Calibration

control

EquipmentEquipment



SLS-Material

Frisches SLS Pulver wird mit Baurest /Overflow aufbereitet;

Unterschiedliche levels of Q-control!

Die Qualität des Neupulvers sicherstellen durch Her stellerangaben: • Produktion Identifikation (e.g. Charge)• Pulververteilung (e.g. d10 / d50 / d90)• Thermische Eigenschaften (Schmelzpunkt und –Enthalpie Tm, ∆Hm)• Pulver Fliessfähigkeit (Hausner Verhältnis)• Schmelzerheologie (MFI)


9


Pulverflussdiagramm SLS-Pulver

SLS-Bau

Overflow Baurest Neumaterial

Zwischenlager

Mischen Nahmaterialverwerfen?

Zwischenlagergrob sieben

grob auspacken / sieben

(automatisch)

Mischer

SLS-Bau

Verhältnis?

MFI Kontrolle

MFI

MFI

MFI



Teile Produktion

Der Produktionsprozess ist zu kontrollieren und dokumentieren:

• part orientation• build parameter: laser power, scan spacing, temperature profile, uvm.

(z.B. PPM-System,

Referenz Proben in jedem Batch?

- XY-orientation: ISO test bars• tensile test• weight (density)• surface roughness• Scale

- XZ-orientation: ISO test bars(periodical for archive reasons)


10


Qualitätscheck für jedes Einzelteil:- Optische kontrolle & Dimensions check- Oberfläche (roughness)- Gewicht (Dichte)

Auftrag:• Quantität• on time delivery? • special requirements• pre-assambly

Finishing:• infiltration (which infiltrate)• surface optimization (vibratory grinding)

• coating (e.g. colour)

Teilequalität und Finishing



irpd: der 5-Phasen Q-Ansatz

Level Frequency Retrace

Daily

as need

Daily

4. Build Daily Build Protocol

3. Batch2-3 times per

weekMaterial protocol

MonthlyPerformance

Protocol

Periodically System Logbook

1. Job Daily Project file data A) Understand final part requirements feasibility c heck.

Part Inspection Protocol

2. System

B1) Performance

B) System Fitness

5. Parts

Subject A - G

C) Material

E) Intermediate Part blasting Inspection (go no-go)

D) Build Setup & Process Control

G) Final Inspection Protocols delivery

F) Post Processing

11


1. JobW

1W

2W

3W

4W

5W

6W

7W

8W

9W

10

W 1

1W

12

W 1

3W

14

W 1

5W

16

W 1

7W

18

W 1

9W

20

W 2

1W

22

W 2

3W

24

W 2

5W

26

W 2

7W

28

W 2

9W

30

W 3

1W

32

W 3

3W

34

W 3

5W

36

W 3

7W

38

W 3

9W

40

W 4

1W

42

W 4

3W

44

W 4

5W

46

W 4

7W

48

W 4

9W

50

W 5

1W

52

W 5

3

Pro

ject

fil

e

1. J

ob

A) Understand final part requirements and feasibili ty check.

Check specifications, suitability, optimal design, data quality, STL errorless long term use, application loads environment risks


2. System

W 1

W 2

W 3

W 4

W 5

W 6

W 7

W 8

W 9

W 1

0W

11

W 1

2W

13

W 1

4W

15

W 1

6W

17

W 1

8W

19

W 2

0W

21

W 2

2W

23

W 2

4W

25

W 2

6W

27

W 2

8W

29

W 3

0W

31

W 3

2W

33

W 3

4W

35

W 3

6W

37

W 3

8W

39

W 4

0W

41

W 4

2W

43

W 4

4W

45

W 4

6W

47

W 4

8W

49

W 5

0W

51

W 5

2W

53

Per

form

ance

P

roto

col

Sys

tem

Lo

gboo

k

2. S

yste

m

Per

form

ance

B1) Performance

B) System Fitness

Benchmark Validation: Periodic fitness-check Size, Quality, Surface finish, Scaling values Calibration, Drifts? Calibration of the system, wear parts? Laser power drop, Parameter adjustments necessary?

2. S

yste

m

Fitn

ess

Semester preventive maintenance, checks, wear parts, readjustments, SW versions Upgrades

12


2. System Fitness - PM

Preventive Maintenance �Weakly cleaning inspect�6 month service and calibration�Replace wear parts ( e.g. laser

window, scraper, filters)�Upgrades ( ATC temperature

control) �Upgrade SW�Maintain controls�Keep the logbook updated

clean !!!


2. System Performance (drifts: power, strength density scale…) Monthly BM

� 24 measurements: scale beam offset, weight , Ra Rz in XY an YZ plane

� Laser power calibration� Local: 5 tensile Z bars

(mechanical properties)� Space: total: [6x5x5] + [4x5] = 170

tensile bars bones to measure! (Just for sever problems or once a year)

� Replace typically sacrificial parts

13


2. System Performance monthly BM


2. System Performance ZX Direction Sinterstation

middle RM N/mm2 %ZX1 -1 48.64 8.85ZX1 -2 47.07 8.05ZX1 -3 46.26 8.60ZX1 -4 47.52 8.05ZX1 -5 47.90 9.48

Avarege 47.48 8.61

back left RM N/mm2 %ZX2 -1 43.01 7.07ZX2 -2 42.62 5.67ZX2 -3 45.74 7.69ZX2 -4 46.23 7.39ZX2 -5 47.10 8.74

Avarege 44.94 7.31

top left RM N/mm2 %ZX3 -1 47.64 8.85ZX3 -2 46.97 8.22ZX3 -3 46.26 8.23ZX3 -4 47.33 8.05ZX3 -5 48.20 9.48

Avarege 47.28 8.57

back right RM N/mm2 %ZX4 -1 40.08 5.68ZX4 -2 41.00 5.85ZX4 -3 43.93 2.53ZX4 -4 43.54 6.86ZX4 -5 44.40 7.24

Avarege 42.59 5.63

top right RM N/mm2 %ZX5 -1 46.15 7.27ZX5 -2 45.13 7.33ZX5 -3 37.83 3.01ZX5 -4 42.02 6.03ZX5 -5 45.20 7.38

Avarege 43.27 6.20middle top RM N/mm2 %

ZX6 -1 42.93 5.61ZX6 -2 41.39 5.05ZX6 -3 45.96 7.87ZX6 -4 39.84 4.77ZX6 -5 41.88 5.69

Avarege 42.40 5.80

middle back RM N/mm2 %ZX7 -1 40.67 5.43ZX7 -2 34.08 3.84ZX7 -3 33.06 3.69ZX7 -4 37.61 4.70ZX7 -5 35.97 2.83

Avarege 36.28 4.10

14


3. BatchW

1W

2W

3W

4W

5W

6W

7W

8W

9W

10

W 1

1W

12

W 1

3W

14

W 1

5W

16

W 1

7W

18

W 1

9W

20

W 2

1W

22

W 2

3W

24

W 2

5W

26

W 2

7W

28

W 2

9W

30

W 3

1W

32

W 3

3W

34

W 3

5W

36

W 3

7W

38

W 3

9W

40

W 4

1W

42

W 4

3W

44

W 4

5W

46

W 4

7W

48

W 4

9W

50

W 5

1W

52

W 5

3

Mat

eria

l pr

otoc

ol

3. B

atch

C) Material

Virgin delivered material specification and expire check Material recycling Quality: Sieving (??? µm), MFI controlled for each run, Flowability, Humidity if required (never

use pure virgin) Loading levelling, prevent short feeds

X


3. Batch: MFI control (temperature load nozzle)

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

120.00

30.0

7.2004

30.1

0.2004

30.0

1.2005

30.0

4.2005

30.0

7.2005

30.1

0.2005

30.0

1.2006

30.0

4.2006

190 C 235 C Linear (235 C) Linear (190 C)

15


3. Batch: MFI control

-10.0

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

80.0

90.0

1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65

Build (run)

MF

IQA

MFI

Linear (MFI)

Virgin

Recycled

Inferior quality


3. Batch Sieving

Fine powders tend to agglomerate� Big particles separate� Recycled powders may have changed notably the particle size

distribution� The mixing sieving may has corrective influence �What is the staring point of the virgin and actual corrected batch used

powder?

16


4. Build process control , need for sacrificial par ts?

Part Integrity:� Mechanical properties: � density measurements by weight by Archimedes, by ultrasound, by X-Ray � Destructive or non destructive?

W 1

W 2

W 3

W 4

W 5

W 6

W 7

W 8

W 9

W 1

0W

11

W 1

2W

13

W 1

4W

15

W 1

6W

17

W 1

8W

19

W 2

0W

21

W 2

2W

23

W 2

4W

25

W 2

6W

27

W 2

8W

29

W 3

0W

31

W 3

2W

33

W 3

4W

35

W 3

6W

37

W 3

8W

39

W 4

0W

41

W 4

2W

43

W 4

4W

45

W 4

6W

47

W 4

8W

49

W 5

0W

51

W 5

2W

53

D) Build Setup & Process Control

Bui

ld P

roto

col

4. B

uild

Correct data, Quantity, Best praxis orientation, Standardized parameters and scale factors

Sacrificial parts (tensile bars?) Build reporting


5. Parts

W 1

W 2

W 3

W 4

W 5

W 6

W 7

W 8

W 9

W 1

0W

11

W 1

2W

13

W 1

4W

15

W 1

6W

17

W 1

8W

19

W 2

0W

21

W 2

2W

23

W 2

4W

25

W 2

6W

27

W 2

8W

29

W 3

0W

31

W 3

2W

33

W 3

4W

35

W 3

6W

37

W 3

8W

39

W 4

0W

41

W 4

2W

43

W 4

4W

45

W 4

6W

47

W 4

8W

49

W 5

0W

51

W 5

2W

53

5. P

arts

Complete, details resolution, dimensions, surface finish, quantity, labelling Mechanical properties (how?); Density (how?;

Sacrificial parts (tensile bars?)

Par

t Ins

pect

ion

Pro

toco

l

Machining, polishing, varnishing, coating, etc.

G) Final Inspection Protocols delivery

F) Post Processing

E) Intermediate Part blasting Inspection (go no-go)

17


5. Parts intermediate sand blasting go/no-go

Ra / Rz v/s Sandblasting Exposure

0

1020

30

40

5060

70

0 10 20 30

Sandblasting Time (s)

Ra

/ R

z ( µµ µµ

m)

Ra

Rz


5. Parts final dimensional inspections

Measurements conventionally or with RE methods, especially for freeform parts with larger allowance s.

18


5. Parts Dimensional check respecting ISO IT tolera nces

Under 120 mm

-0.500

-0.400

-0.300

-0.200

-0.100

0.000

0.100

0.200

0.300

0.400

0.500

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

105

110

115

120

Nominal [mm]

Dev

iatio

n [m

m]

IT14 (-) IT14 (+) IT13 (-) IT13 (+) IT12 (-) IT12 (+) Deviation

Duraform 200 measurementsAverage deviation= - 0.01 mm Standard deviation σσσσ = 0.49 mm


QM & Normen

Documents

SLS-Qualitätsmanagement Schlüssel zum Erfolg für Additive ... · muss sich an der SLS-Prozesskette und den Haupteinflussparametern orientieren:-Equipment - Material - Produktions-,