Selective Laser Melting: Nieuwe materialen voor industriële

toepassingen.

Karolien Kempen

Leuven, 15.11.2011

Selective Laser Melting (SLM)

2

Onderzoeks-Topics van de AM-groep (K.U.Leuven)

• Selective Laser Melting (SLM) van metalen– 316L stainless steel– Maraging steel 300– Ti6Al4V– AlSi10Mg– M2 High Speed Steel

• Selective Laser Melting van keramieken– Direct smelten– Indirect smelten met bindermaterialen

• Software en Hardware ontwikkelingen• Proces monitoring en controle• Selective Laser Erosion en Laser Re-melting

3

Onderzoeks-Topics van de AM-groep (K.U.Leuven)

• Selective Laser Melting (SLM) van metalen– 316L stainless steel– Maraging steel 300– Ti6Al4V– AlSi10Mg– M2 High Speed Steel

• Selective Laser Melting van keramieken– Direct smelten– Indirect smelten met bindermaterialen

• Software en Hardware ontwikkelingen• Proces monitoring en controle• Selective Laser Erosion en Laser Re-melting

4

Selective Laser Melting van AlSi10Mg

5

Eigenschappen van AlSi10Mg• Samenstelling:

• Geschikt voor harding• Goede thermische geleidbaarheid: 140-170 W/mK• Lage dichtheid-sterkte ratio• Industriële (warmtewisselaar, etc.)

en luchtvaarttoepassingen

• Door hoge thermische geleidbaarheid en reflectiviteit is hoog laser vermogen vereist!

Alloying element Al Si Mg Cu Mn Zn Fewt% rest 9 - 11 0,45 - 0,6 <0,1 0,05 0,05 <0,55

AlSi10Mg – Experimentele procedure

– Concept Laser M1 machine– Twee poedersoorten– Argon atmosfeer

6Concept Laser M1-machineEigen gebouwde LM-Q machine

AlSi10Mg – Doel van onderzoek

• Vergelijking poedermaterialen

• Enkelvoudige lijnscans

• Definiëren van proces venster.Welke proces parameters (laser vermogen, scan snelheid,...)

resulteren in welke eigenschappen (dichtheid, kwaliteit, …) ?

• Gevormde microstructuur [WIP]

• Mechanische testen [WIP]

• Nabehandelingen [WIP]

7

AlSi10Mg – Vergelijking poedermaterialen

8

Vergelijking tussen twee poeders S1, S21. Chemische samenstelling

S2 - poeder: Silicium buiten grenzen van ISO-standaard- minder absorptie van laser energie- groter verschil tussen solidus en liquidus temperatuur

Element ISO 3522 S1 [wt%] S2 [wt%]

Si 9-11 9,02 8,05

Fe <0.55 0,123 0,455

Cu <0.1 0,006 0,096

Mg 0.45-0,6 0,471 0,542

AlSi10Mg – Vergelijking poedermaterialen

9

Vergelijking tussen twee poeders S1, S22. Deeltjesgrootte

S1 poeder heeft een betere vloeibaarheid en zal resulteren in een meer homogene laagdepositie

S1 poeder- d(v, 0,5) = 16,3 µm- breed bereik van deeltjesgrootte- eerder sferische morfologie

S2 poeder- d(v, 0,5) = 48,4 µm- smal bereik van deeltjesgrootte- willekeurige morfologie

AlSi10Mg – Vergelijking poedermaterialen

Vergelijking tussen twee poeders S1, S23. Relatieve dichtheid

S1 poeder bereikt een hogere dichtheid door de betere poederlaag depositie en de hogere laser absorptie. 10

92,5%

93,0%

93,5%

94,0%

94,5%

95,0%

95,5%

96,0%

96,5%

97,0%

600 800 1000 1200 1400 1600

Rel

atie

ve D

icht

heid

[%]

Scan snelheid [mm/s]

S1 powder

S2 powder

AlSi10Mg – Enkelvoudige lijnscans

Doel: Een proces venster afbakenen, gebaseerd op 4 vereisten voor de lijnscan:

1. Continue lijnscan2. Verbinding met onderliggende laag3. Voldoende hoogte op stuk op te bouwen4. Verbindingshoek van ongeveer 90°

11

AlSi10Mg – Enkelvoudige lijnscans

12

AlSi10Mg – Definiëren van Proces Venster

13

Verscheidene parameter-sets:

- Optimale dichtheid (tot 99,4%)- Optimale oppervlaktekwaliteit (Ra tot 14µm)- Optimale productiviteit

AlSi10Mg – Gevormde microstructuur

14

Oorzaak is tweërlei:- oxidevorming, verdamping- onvoldoende overlapping, ongesmolten poeder

Resterende porositeit?

Sferische poriën

Onregelmatige poriën

AlSi10Mg – Gevormde microstructuur

15

Gevormde microstructuur, specifieke korrelgroeiWarmtebeïnvloede zone

AlSi10Mg – Work In Progress

16

• Mechanische testen

- Invloed van proces parameters?- Vergelijking met gietproces?

• Nabehandelingen

- Invloed van conventionele T6 warmtebehandeling?- Aangepaste Post-SLM warmtebehandeling definiëren

Onderzoeks-Topics van de AM-groep (K.U.Leuven)

• Selective Laser Melting (SLM) van metalen– 316L stainless steel– Maraging steel 300– Ti6Al4V– AlSi10Mg– M2 High Speed Steel

• Selective Laser Melting van keramieken– Direct smelten– Indirect smelten met bindermaterialen

• Software en Hardware ontwikkelingen• Proces monitoring en controle• Selective Laser Erosion en Laser Re-melting

17

Selective Laser Melting van M2 HSS

18

Eigenschappen van M2 SnelstaalSamenstelling:

C Mn Si Cr Mo W V

M2 HSS [wt%] 0,9 0,38 0,35 3,97 4,89 6,15 1,82

Mits specifieke warmtebehandeling kunnen M2 gereedschapsstalen superieure mechanische eigenschappen bieden zoals taaiheid (tot 40J) en hardheid (tot 65HRC)

Industriële toepassingen:Snijgereedschappen en verspaningsgereedschappen zoals boren, tappen, frezen, zagen, messen, enz…

M2 HSS – Experimentele procedure

– Concept Laser M3 machine– Stikstof atmosfeer– Verwarmingsmodule tot 180°C

19

Concept Laser M3-machine

M2 HSS – Doel van onderzoek

• Enkelvoudige lijnscans

• Definiëren van proces venster. [WIP]

Welke proces parameters (laser vermogen, scan snelheid,...) resulteren in welke eigenschappen (dichtheid, kwaliteit, …) ?

• Gevormde microstructuur [WIP]

• Mechanische testen Toekomstplanning

• Nabehandelingen Toekomstplanning

20

M2 HSS – Enkelvoudige lijnscans

Doel: Een proces venster afbakenen, gebaseerd op 4 vereisten voor de lijnscan:

1. Continue lijnscan2. Verbinding met onderliggende laag3. Voldoende hoogte op stuk op te bouwen4. Verbindingshoek van ongeveer 90°

21

M2 HSS – Enkelvoudige lijnscans

22

Stijgende scan snelheid:

- toenemende hoogte van de lijnscan- Afnemende breedte en diepte van de lijnscan

-afnemende continuïteit van het smeltbad

M2 HSS – Definiëren van Proces Venster

23

Verscheidene parameter-sets:

Scheurvorming en loskomen van basisplaat:meer uitgesproken voor hoog vermogen/ lage scan snelheidOorzaak: - Residuele spanningen?

- Verschillende fasen in het stuk?

M2 HSS - Definiëren van Proces Venster

Oplossing: gebruiken van voorverwarming!

- verkleint de thermische gradiënt, dus verlaagt thermische spanningen en scheurvorming.

Resultaat:

! Ontwikkeling van nieuw verwarmingselement(hogere temperaturen)

24

Stukken geproduceerd met een voorverwarming van 180 C (maximum temperatuur):

- Scheuren sterk verminderd- Vervorming enkel voor lage scan snelheden.

M2 HSS – Gevormde microstructuur

25

Lage scan snelheid

Opmerkelijk verschillende microstructuur

- Vorm van smeltbaden- onregelmatige poriën- Donkere en lichte zones (verschillende fasen) Hoge scan snelheid

Middelhoge scan snelheid

M2 HSS – Gevormde microstructuur

26

Geleidelijke fase-overgang

Duidelijke fase-overgang &Naaldachtige martensitische structuur

Grens van smeltbad

Lage scan snelheden

- Duidelijke fase-overgang door verschil in stollingsgraad- Geleidelijke fase-overgang is de warmtebeïnvloede zone (HAZ)

M2 HSS – Work in Progress

1. Definiëren van proces venster, scheurvorming vermijden.- Parameterset vinden met hoogste dichtheid.- Laser Hersmelten toepassen om dichtheid te verhogen- Productiviteit en oppervlaktekwaliteit bestuderen

- Ontwikkeling van nieuw verwarmingselement

2. Materiaalkarakterisatie: aanwezige fasen identificeren,Gevormde carbiden identificeren, XRD en EBSD.

27

M2 HSS – Toekomstplanning

1. Mechanische eigenschappen

invloed van proces parameters? vergelijking met conventioneel geproduceerde stukken

2. Nabehandeling

conventionele warmtebehandeling toepassen op SLM-geproduceerdestukken en mechanische eigenschappen/microstructuur bekijken.

Optimale warmtebehandeling definiëren voor SLM-geproduceerdestukken.

28

Dank voor uw aandacht!Vragen?

29