3. Resultat
3.3 Metaller och legeringar tillgängliga för SLM-bearbetning
Två matriser (Tabell 1 & Tabell 2) kommer att sammanställas i denna del där metallerna och legeringarna som behandlas här, kategoriseras med avseende på rekommenderade processparametrar för att producera detaljer med full densitet. De viktigaste processparametrarna är lasereffekt, läshastighet, lagertjocklek, energidensitet och skannavstånd4. Detta för att dessa parametrar är direkt proportionerliga mot den densitet som kan uppnås.
3.3.1 Metaller
En av de främsta fördelarna SLM har över SLS är dess förmåga att bearbeta metaller som titan, järn, aluminium, koppar och volfram. Dessa är de vanligaste SLM-bearbetade metallerna idag även fast bearbetning med metaller i nuläget är sekundärt till bearbetning med legeringar på grund av de relativt begränsade mekaniska och korrosionsbeständiga egenskaperna som metaller har i jämförelse med legeringar. Samt att SLM-bearbetning med metaller har historiskt sett varit opopulärt på grund av den kvarlevande stigman från SLS-teknologins misslyckande att framgångsrikt bearbeta metaller under en längre tid. Men detta är något som har blivit mer populärt genom åren i takt med den forskning och utveckling som har skett. (Gu, D., 2015) Generellt är alla metaller lämpliga för SLM och SLS, men det skiljer sig mycket åt gällande hur enkelt SLM/SLS-bearbetningen för varje metall är beroende på kemiska egenskaper, laserabsorptionsförmåga, ytspänningar och viskositet. (Olakanmi, E.O., 2013)
Titan
Kommersiellt rent titan5 (CP-Ti) som används mestadels i medicinska syften passar utmärkt ihop med SLM-tillverkning. Detta är på grund av den tidigare nämnda geometriska friheten som SLM medför samt dess egna utmärkta mekaniska och korrosionsbeständiga egenskaper. Med noggrant inställda parametrar är det möjligt att uppnå nästintill full densitet (99,5%) utan några som helst efterbehandlingar vilket, jämfört med konventionella tillverkningsmetoder, tillåter detaljer av titan att uppnå högre brott- och sträckgränser samt hårdhet. (Shah, F.A et al., 2016)
CP-Ti löper dock fortfarande risken att drabbas av Balling fenomen om laserparametrar inte är noggrant inställda och därmed inte hettar upp pulvret till begärd temperatur. En risk är att defekter i materialet kan uppstå på grund av ofullständigt smälta partiklar och oönskad porositet. Detta är ett resultat av för låg lasereffekt (<100 W) och obalanserad viskositet i smältpölen, men kan undvikas med lasereffekter mellan 100 W och 165 W när en Yb:YAG-laser används. Då även
4Skannavstånd är en översättning från engelskans ”scan spacing” eller ”hatch distance” som anger avståndet mellan parallella laserstrålar. (Goodridge, R. & Ziegelmeier, S., 2017)
5Kommersiellt rent titan kategoriseras in i fyra grader: GR1, GR2, GR3 och GR4. Där GR1 titan har lägst styrka men högst duktilitet och korrosionsbeständighet medan GR4 titan har högst styrka men lägre duktilitet. (Loginov, Y. et al., 2018)
15
lasereffekter över 165 W riskerar att överhetta pulvret och därmed skapa obalans i smältpoolen vilket igen leder till defekter och Balling fenomen. (Attar, H. et al., 2014)
Järn
Det har inte skett lika mycket forskning om SLM-bearbetning av järn som det har gjorts med dess legeringar eller andra metaller, men den forskning som har gjorts visar att järn har goda förutsättningar att framgångsrikt bli SLM-bearbetad. (Lejček, P. et al., 2019)
Dislokationer på grund av de snabba avsvalningshastigheterna (jämfört med gjutning) som uppstår i SLM är ett vanligt förekommande fenomen när järn SLM-bearbetas. Detta bidrar till att detaljer gjorda utav SLM-bearbetat järn får högre kompressionsstyrka än med andra tillverkningsmetoder. (Carluccio, D. et al., 2019)
Aluminium
Aluminium är ett svårt material att SLM-bearbeta. Den oxidhinna som bildas på aluminium orsakar problem i processen såsom att Balling fenomen, defekter och oönskad porositet uppstår för att lagren inte kan bindas ihop ordentligt. (Olankanmi, E.O., 2013)
En faktor som ofta kan bidra till problemen som oxidhinnan orsakar är laserparametrarna där lasereffekten kan vara för hög och laserns läshastighet för låg. Detta medför att smältpölen blir för stor och därmed instabil för att pulvret utsätts för en hög värme. Lösningen till detta är därför att sänka lasereffekten och öka läshastigheten till nivåer som fortfarande resulterar i detaljer med höga densiteter. Läshastigheter på 80 – 200 mm/s och lasereffekter på 100 – 240 W är ett lämpligt fönster för detta. (Olankanmi, E.O., 2013)
Koppar
På grund av koppars låga laserabsorptionsförmåga samt dess höga värmekonduktivitet, är metallen faktiskt svår att bearbeta med SLM till skillnad från vissa av dess legeringar. Det är just på grund av dess attraktiva egenskaper som processen försvåras då kopparens värmekonduktivitet orsakar instabila smältpölar som bidrar till att Balling fenomen och oönskad porositet uppstår. (Colopi, M. et al., 2019)
Åtgärder till detta är att tillämpa en ”multi-pass” strategi där pulvret skannas av lasern två gånger innan nästa lager tillsätts. Detta leder till att en högre densitet i detaljer kan uppnås (98,7% - 99,1%). Detta, tillsammans med en högeffektlaser (0,8 - 1 kW) som är mer lämpad att smälta koppar, gör SLM-processen mer stabil och därmed mer framgångsrik. (Colopi, M. et al., 2019)
Volfram
Detaljer gjorda utav volfram brukar traditionellt tillverkas enligt konventionella metoder såsom pulvermetallurgi eller het isostatisk pressning då volfram har en hög övergångstemperatur mellan att vara duktil och spröd. (Tan, C. et al., 2018) Problemet med dessa konventionella metoder är däremot att de begränsar hur komplex detaljens
16
geometri kan vara. Det är här som SLM och AM-tillverkning passar in för att tillåta mer avancerade tillämpningsmöjligheter för volfram.
Svårigheterna med att SLM-bearbeta volfram ligger i dess höga ytspänningar som bidrar till Balling fenomen, dess höga viskositet som förhindrar smältpölens flödesförmåga och dess höga oxidationskänslighet som bidrar till sprickbildningar. Dessa svårigheter leder även till att full densitet blir svår att uppnå. (Tan, C. et al., 2018)
Åtgärderna till detta är att optimera processparametrar för laser och pulver där en lasereffekt på 200–300 W, läshastighet på 200 – 400 mm/s och lagertjocklek på 2o µm används för att producera detaljer med högst densitet (98,5%) och minst antal sprickor i mikrostrukturen. (Tan, C. et al., 2018)
Tabell 1 Parameterinställningar för metaller för att uppnå hösta densitet
Metall lasertyp Lasereffekt
(W) Läshastighet (mm/s) Energidensitet (J/𝒎𝒎𝟑) Lagertjocklek (µm) skannvstånd (µm) Densitet (%) CP-Ti Yb:YAG 85 - 180 70 - 150 95 - 125 100 100 98,5 - 99,5 Fe Single mode fiber 200 8,5 67 50 108 99,2 Al CO2 100 - 240 80 - 200 60 - 75 25 100 98 - 99,7 Cu Single mode fiber 800 - 1000 1000 - 5500 114 6 50 70 98,7 – 99,1 W Single
mode fiber 200 - 300 200 - 400 10,287 20 Ej angivet 98,5
3.3.2 Legeringar
Förlegerade pulver baserade på titan, nickel och järn är de vanligaste typerna i dag inom SLM där dessa pulver kan användas i sluttillverkningssyften, men bearbetning av aluminiumbaserade legeringar är idag det område, där det historiskt sett har skett minst forskning inom, men idag där det sker mest. Vilket kan visa sig bli en mognare teknik inom en snar framtid. (Gu, D., 2015)
Titanbaserade legeringar (Ti 6–4)
Ti-6Al-4V (Ti 6–4) används på samma sätt som CP-Ti i medicinska syften men den främsta skillnaden är att Ti 6–4 har en högre E-modul och lägre duktilitet jämfört med CP-Ti. Skillnaden mellan CP-Ti och Ti 6–4 rent medicinskt är inte särskilt märkvärdig men deras mekaniska egenskaper gör CP-Ti mer lämpad för tandvården medan Ti 6– 4 är mer lämpad för ortopedi. Däremot visar Ti 6–4 sig vara riskabel vid långsiktig användning i medicinska syften på grund av dess tendens att utsöndra aluminium och vanadium i kroppen. (Shah, F. et al., 2016)
6114 J/mm3 totalt när en multi-pass strategi tillämpas där pulvret skannas två gånger med en energidensitet på 57 J/mm3 vardera gångerna.
17 Järnbaserade legeringar
Generellt sätt är additiv tillverkning med järnbaserade legeringar som stål, även om det har skett mycket forskning inom detta, begränsad på grund av den relativa svårighet att uppnå full densitet i detaljer. Detta beror mycket på de kemiska egenskaperna hos både stål och krom där det finns syre som bildar ett oxideringsskick på smältan, vilket tenderar att leda till att full densitet inte kan uppnås och att Balling fenomen uppstår under SLM-processen. (Das, S., 2003)
Kolhalten hos stål är också en viktig faktor när det kommer till hur välanpassade stålen är för SLM då höga kolhalter innebär tjockare ytor av kol på smältan. Detta har samma effekt som vid oxidering där pulvret hindras från att fullständigt smältas vilket igen leder till att Balling fenomen uppstår och full densitet inte kan uppnås då karbider vid korngränserna orsakar ökad porositet (Childs, T.H.C. et al., 2005). Däremot kan detta motverkas genom att, utöver noggranna val av laserparametrar, använda pulverlager under 100 µm. Det tunna lagret ger upphov till en mer homogen och komplett smältningsprocess. (Gu, D., 2015)
Rostfritt stål SS 316 är en legering som har undersökts mycket om i relation till SLM-bearbetning och materialet visar sig vara väldigt lämplig för detta så länge processparametrarna är noggrant inställda. (Sun, Z. et al., 2016)
Aluminiumbaserade legeringar
Svårigheterna med att bearbeta förlegerade aluminiumpulver är att den höga värmekonduktiviteten kräver mer i lasereffekt och aluminiumpulvrets oxidhinna medför problem med att smälta pulvret då, likt problemet med stålpulver, smältan blir ofullständig. Detta leder till att Balling fenomen och andra defekter lätt uppstår. Ett annat problem ligger i svårigheten att kunna sprida ut ett tunt lager av pulver på pulverbädden då förlegerade aluminiumpulver är väldigt lätta i vikt jämfört med andra pulver. (Olakanmi, E.O. et al., 2015)
Däremot har SLM-bearbetning med Al-Si-10Mg visat sig vara lämplig och framgångsrik under tester. Där har detaljer, framställda utav Al-Si-10Mg, uppnått en densitet på 99,8%. (Aboulkhair, N.T. et al., 2014)
Nickelbaserade legeringar (Inconel)
Nickelbaserade legeringar som Inconel 625 och 718 används främst i tillverkningen av gasturbiner och jetmotorer på grund av deras utmärkta egenskaper såsom god värmeavledning, korrosionsbeständighet och hög sträck- och brottgräns. (Paul, C.P. et al., 2007)
För vissa nickelbaserade superlegeringar som Rene88DT och Waspaloy, finns det svårigheter med SLM-bearbetning på grund av det höga antalet legeringskomponenter i bägge legeringarna som ger upphov till sprickbildningar under processen. (Gu, D., 2015) Detta problem har hittills inte visat sig finnas hos Inconel. Inconel 625, till exempel, har faktiskt visat sig vara ett lämpligt material att bearbeta med additiv tillverkning generellt på grund av dess goda materialegenskaper och den dendritiska mikrostruktur som detaljerna får efter bearbetningen. Detta resulterar i att defekter
18
som sprickor och oönskad porositet inte uppstår och en hög densitet på 99,7% kan uppnås. (Dinda, G.P. et al., 2009)
Kopparbaserade legeringar
Cu-Cr och Cu-Cr-Zr är två kopparbaserade legeringar som används ofta inom flyg- och rymdindustrin samt kärnkraftsindustrin. Detta är på grund av den goda elektriska och termiska konduktiviteten som koppar innehar, vilket gör metallen och dess legeringar viktiga i industriella sammanhang där stora mängder elektricitet och värme överförs och används. (Zhang, S. et al., 2019)
Den främsta svårigheten med att SLM-bearbeta kopparlegeringar och koppar i större utsträckning är att, på grund av koppars låga laserabsorptionsförmåga och höga värmekonduktivitet, krävs det höga lasereffekter för att ordentligt smälta pulvret. (Zhang, S. et al., 2019)
En svårighet med Cu-Cr, specifikt, är att elementärt svavel samlas vid korngränserna vilket orsakar att detaljen blir sprött. Genom att tillsätta små mängder Zr och Ti minskas sprödheten i den färdiga detaljen samtidigt som värmekonduktiviteten bibehålls och en densitet på 97,9% uppnås. Därmed, baserat på statiska och dynamiska tester vid 20, 600 och 800 grader Celsius är Cu-Cr-Zr-Ti också en lämplig SLM-bearbetbar legering. (Zhang, S. et al., 2019)
Volframbaserade legeringar
Wc-Co är den vanligaste volframbaserade legeringen som används i tillverkningen av skärverktyg och metallbearbetning i allmänhet. Detta är på grund av dess höga hårdhet, korrosionsbeständighet, värmekonduktivitet och slitstarkhet. De två största faktorerna som påverkar de mekaniska egenskaperna hos Wc-Co är volframkarbidens partikelstorlek (0,1 – 20 µm) och mängden kobolt (3 – 25 wt%). I konventionell sintring av Wc-Co detaljer används vanligtvis en partikelstorlek på 1 µm och en kobolthalt på 9 – 15 wt%. Detta resulterar i att detaljen både förblir hård och seg. (Fortunato, A. et al., 2019)
Men vid SLM-bearbetning med Wc-Co måste ett antal faktorer tas hänsyn till som gör SLM-processen mer komplicerad än vid konventionell bearbetning:
• volframkarbid och kobolt har olika smälttemperaturer och laserabsorptionsförmåga vilket försvårar att en fullständig smältningsmekanism uppnås;
• volframkarbid är ett ömtåligt material med hänseende på tendensen för sprickbildning på grund av de termiska cykler som uppstår vid SLM-processen;
• detaljens storlek och geometri som påverkar den termiska cykeln.
Dessa faktorer orsakar att full densitet inte kan uppnås och att de mekaniska egenskaperna hos SLM-bearbetade detaljer av Wc-Co inte möter de krav som krävs vid industriell användning.
19
Lösningen till detta har, efter utförda experiment, visats vara att ökade energidensiteter leder till en mindre termisk cykel vilket resulterar i en minskning av sprickbildning. Även att en ”multi-pass” strategi används med en linjärt ökad lasereffekt för varje gång, vilket resulterar i att en högre densitet kan uppnås (98,7%). (Fortunato, A. et al., 2019)
Tabell 2 Parameterinställningar för legeringar för att uppnå högsta densitet
Legering lasertyp Lasereffekt
(W) Läshastighet (mm/s) Energidensitet (J/𝒎𝒎𝟑) Lagertjocklek (µm) skannavstånd (µm) Densitet (%) Ti-6Al-4V Yb fiber Laser 150 100 1000 50 30 Ej angivet i procent7 SS 316 Yb fiber laser 380 625 - 3000 98,7 – 108,57 50 25 - 120 >99 Al-Si-10Mg Yb fiber laser 100 500 100 40 50 99,8 Inconel 625 Yb fiber laser 185 900 150 20 70 99,7 Cu-Cr-Zr-Ti Yb fiber laser 400 400 200 50 100 97,9
Wc-Co fiber laser 80 400 6208 20 60 98,7