EXAMENSARBETE INOM MASKINTEKNIK,
Industriell Ekonomi och Produktion, högskoleingenjör 15 hp SÖDERTÄLJE, SVERIGE 2020
Selektiv lasersmältning
En State of the Art‐rapport och jämförelse av additiva
tillverkningsmetoder
Martin Tairi
Selektiv lasersmältning: En State of the Art-rapport
och jämförelse av additiva tillverkningsmetoder
av
Examensarbete TRITA-ITM-EX 2020:238 KTH Industriell teknik och management
Examensarbete TRITA-ITM-EX 2020:238 Selektiv lasersmältning: En State of the Art Rapport
och jämförelse av additiva tillverkningsmetoder
Martin Tairi Godkänt 2020-06-26 Examinator KTH Claes Hansson Handledare KTH Bertil Wanner Uppdragsgivare
Kungliga Tekniska Högskolan
Företagskontakt/handledare
Bertil Wanner
Sammanfattning
Additiv tillverkning (AM) är en växande tillverkningsteknologi som har många lovande tekniska, ekologiska och ekonomiska aspekter. Selektiv lasersmältning (SLM) är den AM-metod som står i framkanten av den utveckling som sker inom teknologin. SLM har kapabiliteten att tillverka detaljer med jämförbart goda mekaniska egenskaper gentemot konventionella tillverkningsmetoder men drabbas av vanligt förekommande defekter som hämmar dess möjligheter att bli en mer använd bearbetningsmetod i tillverkningsindustrin
I detta arbete, som tar an formen av en State of the Art Rapport, presenteras SLM-metoden på en teknisk nivå, den jämförs med andra AM-metoder samt med konventionell tillverkning, flera metaller och legeringar som finns tillgängliga för bearbetning presenteras och dess senaste utvecklingar samt framtid presenteras och diskuteras.
Nyckelord
Bachelor of Science Thesis TRITA-ITM-EX 2020:238
Selective Laser Melting: A State of the Art Report and comparison of Additive Manufacturing
Methods Martin Tairi Approved 2020-06-26 Examiner KTH Claes Hansson Supervisor KTH Bertil Wanner Commissioner
Royal Institute of Technology
Contact person at company
Bertil Wanner
Abstract
Additive manufacturing (AM) is a growing manufacturing technology which has many promising technical, ecological, and economical aspects. Selective Laser Melting (SLM) is the AM-method which stands on the forefront of the development which is taking place in this technology. SLM has the capability to produce components with relatively good mechanical characteristics as compared to conventional manufacturing methods. However, the method is suffering from common defects which inhibits its chances to become a more widely-used method in the
manufacturing industry. In this work, which takes on the form of a State of the Art Report, the SLM-method is presented
on a technical level. It is then put in comparison to other AM-methods and conventional manufacturing as a whole. Some of the metals and alloys available for SLM are listed. The latest developments in SLM are presented and lastly, the future developments of SLM is discussed.
Key-words
Förord
Detta examensarbete har genomförts av Martin Tairi under VT 2020 i högskoleingenjörsprogrammet Maskinteknik med inriktningen Industriell Ekonomi och Produktion på KTH Södertälje. Examensarbetet består av 15 högskolepoäng och motsvarar 10 veckors heltidsstudier.
Tack till handledare Bertil Wanner för all hjälp och vägledning under projektets gång och tack till Claes Hansson som agerade som examinator i detta projekt.
Förkortningar
Förkortning Engelska Svensk översättning Eventuell förklaring
AM Additive manufacturing Additiv tillverkning
ASTM American Society for
Testing and Materials Amerikansk standardiseringsorganisation
DED Directed Energy Deposition
EBM Electron Beam Melting
FDM Fused Deposition Modeling
ISO International Organization
for Standardization
Internationella
standardiseringsorganisationen
LMD Laser Metal Deposition
LPS Liquid Phase Sintering Flytande fassintring
RP Rapid Prototyping
SLPS Supersolidus Liquid Phase
Sintering Supersolidus flytande fassintring
SLM Selective Laser Melting Selektiv lasersmältning
SLS Selective Laser Sintering Selektiv lasersintring
Innehåll 1. Inledning ... 1 1.1 Bakgrund ... 1 1.2 Problemformulering ... 1 1.3 Målformulering ... 2 1.4 Avgränsningar ... 2 2. Metoder ... 3 3. Resultat ... 5
3.1 Selektiv lasersmältningsprocessen i detalj ... 5
3.1.1 En kort historia om SLM ... 5
3.1.2 Selektiv lasersintring (SLS) ... 5
3.1.3 Selektiv lasersmältning (SLM) ... 7
3.1.4 Användningsområden ... 8
3.2 Jämförelse med AM-metoder ... 9
3.2.1 Electron Beam Melting (EBM) ... 9
3.2.2 Binder Jetting ... 10
3.2.3 Laser Metal Deposition (LMD) ... 11
3.3 Jämförelse med konventionella metoder ... 12
3.3 Metaller och legeringar tillgängliga för SLM-bearbetning ... 14
3.3.1 Metaller ... 14
3.3.2 Legeringar ... 16
3.4 De senaste utvecklingarna inom SLM/AM ... 19
3.4.1 Strategier ... 19
3.4.2 Hårdvara ... 20
3.4.3 Förbättrad processkontroll ... 20
3.5 Framtiden ... 21
3.5.1 Standardisering av procedurer ... 21
3.5.2 Prövning av material och optimering av processparametrar ... 22
4. Analys ... 23
5. Slutsatser ... 25
1
1. Inledning
I detta inledande kapitel presenteras bakgrunden, problemformuleringen samt målen för detta arbete. Avgränsningarna presenteras även här för att rama in rapportens omfång.
1.1 Bakgrund
3D-skrivning med metaller har kommit långt sedan 80- och 90-talet då additiv tillverkning var i dess begynnelsestadium. Metallbearbetning hade hittills gjorts genom skärande och plastisk bearbetning, processer som idag faller under subtraktiv bearbetning ända sedan skillnaden uppstod i och med populariseringen av additiva tillverkningsprocesser. Det har gjorts mycket forskning inom detta ämne under de senaste tio åren och tekniken utvecklas ständigt med nya metaller och legeringar som blir alltmer tillgängliga för 3D-skrivning. För närvarande är den vanligaste metod som används i additiv tillverkning selektiv lasersmältning, men andra metoder såsom Laser Metal Deposition, Electron Beam Melting och Binder Jetting utvecklas och fortsätter vinna mark inom fältet.
Teknologin utvecklas hela tiden och ständig forskning pågår. Därför skulle det vara praktiskt att koncentrera den informationen som finns tillgängligt än så länge, in till en övergripande och sammanfattande rapport som ska kunna agera som referenspunkt för framtida studier inom ämnet additiv tillverkning och, mer specifikt, selektiv lasersmältning.
1.2 Problemformulering
2
1.3 Målformulering
Målet med denna rapport är att:
• presentera den selektiva lasersmältningsmetoden i detalj;
• jämföra den selektiva lasersmältningsmetoden med andra metoder inom additiv tillverkning såsom Laser Metal Deposition, Electron Beam Melting och Binder Jetting med avseende på kostnader, tid, material och användningsområde;
• jämföra den selektiva lasersmältningsmetoden med konventionell tillverkning i generella drag utifrån aspekterna teknik, ekologi och ekonomi;
• presentera ett urval av de metaller/legeringar som finns tillgängliga idag för 3D-skrivning och vilka begränsningar och unika egenskaper de kan ha;
• rapportera om den senaste utvecklingen inom selektiv lasersmältning;
• diskutera vad den framtida utvecklingen av selektiv lasersmältning kan innebära.
1.4 Avgränsningar
3
2. Metoder
5
3. Resultat
I detta kapitel presenteras den selektiva lasersmältningsmetoden i detalj. Den ställs i kontrast mot andra additiva och subtraktiva tillverkningsmetoder. Vissa av de vanligt använda metallerna och legeringarna presenteras även här. Sist rapporteras den senaste utvecklingen inom teknologin och dess framtid diskuteras.
3.1 Selektiv lasersmältningsprocessen i detalj
Selektiv lasersmältning (SLM) är en additiv tillverkningsmetod som ofta anses vara en utveckling av Selektiv lasersintring (SLS) på grund av de båda metodernas snarlika processer och procedurer gällande bearbetningen av metalliska pulver. Därmed kommer processen för SLS beskrivas först efter ett kort stycke om SLM-teknologins historia i detta kapitel, sedan, hur SLM skiljer sig åt från denna metod, och sist, i vilka användningsområden SLM tillämpas idag.
3.1.1 En kort historia om SLM
Även fast SLS-teknologin redan har funnits på marknaden sedan 80-talet, så var det i 1995 då Fraunhoferinstitutet för Laserteknologi ILT i Aachen, Tyskland som först utvecklade och patenterade SLM-teknologin tillsammans med den lilla två-mansfirman Fockele & Schwarze Sterelithographietechnik GmbH. Under det tidiga 2000-talet skedde det mycket forskning inom SLM av Kruth et al som noterade SLM-metodens kapabilitet att bearbeta många metaller samt hur den skiljer sig från SLS (Olakanmi E.O., 2013). Sedan dess har även mer forskning skett baserad på detta där Kruths arbete har validerats. (Sun Z. et al., 2016)
3.1.2 Selektiv lasersintring (SLS)
Selektiv lasersmältning är en additiv tillverkningsmetod som är baserad på en lager-för-lager utspridning av metallpulver och dess sintring med hjälp av laser. Ett SLS-system innehåller vanligtvis en lasermekanism, en automatisk
pulverdistributionsapparat, ett datorstyrt kontrollsystem och tilläggsmekanismer såsom ett ädelgasskyddssystem och ett förvärmningssystem för substratet. De olika typerna av laser som brukar användas inom SLS är CO2, Nd: YAG, Yb fiber laser, disk laser etc. (Gu, D., 2015)
Den generella proceduren för SLS är som följande:
1. ett substrat som detaljerna ska tillverkas på placeras och fixeras på plattformen;
2. ädelskyddsgasen matas in i den slutna tillverkningskammaren för att reducera mängden syre till en önskad nivå;
3. ett lager av metallpulver distribueras över substratet med hjälp av den automatiska pulverdistributionsapparaten;
6
5. steg 3 och 4 repeteras och detaljerna tillverkas lagervis tills de blir färdiga (Gu, D., 2015)
Figur 1 SLS/SLM-processen (Bremen, S. et al., 2012)
Den tid som lasern verkar på metallpulvret är beroende på laserns fokusyta och läshastigheten. Under denna termiska cykel (0,25 – 0,5 ms) måste processen vara snabb och därmed är sintring i det fasta tillståndet inte lämpligt. (Agarwala, M. et al., 1995)
Därför används istället en smältnings/stelningsprocess för att fastställa en snabb formning av metallpulvret. SLS är en metod som är baserad på flytande fassintring (LPS) vilket är en process som innebär den partiella smältningen av metallpulver genom sintring under omständigheter där fasta pulverkorn smälts tillsammans med en vätvätska. Detta gör denna process snabbare jämfört med fast fassintring för att det kräver ofta höga sintringstemperaturer och längre sintringstider vilket LPS inte kräver samt att den också erbjuder en högre grad av densifiering. Dessa tre faktorer leder tillsammans till lägre tillverkningstider och kostnader jämfört med fast tillståndssintring. (Gu, D., 2015)
SLS kan i nuläget bearbeta två typer av metallpulver; förlegerat pulver och multi-komponentiellt pulver. Det multi-komponentiella pulvret består av en metallisk komponent med hög smältpunkt, som innehar rollen av den strukturella metallen, en metallisk komponent med låg smältpunkt, som verkar som bindemedel, och en liten mängd tillsatser i formen av flussmedel eller avoxideringsmedel (Kruth, J.P. et al, 2003). Temperaturen vid SLS-processen bestäms noggrant mellan de två smältpunkterna genom att justera laserns parametrar. Detta medför att bindemedlet smälter fullkomligt, medan den strukturella metallen behåller sin fasta form i vätskan. Densifieringen av det fast/flytande systemet sker därmed under den första fasen av LPS, nämligen omordningsfasen1. Vätvätskans egenskaper och kapillärkrafterna som
1Flytade fassintring är en översättning av engelskans ”Liquid Phase Sintering” (LPS) och processen är generellt
7
partiklarna utsätts för, bestämmer omordningshastigheten och därmed även hur lyckad SLS-processen blir.
SLS med förlegerade metallpulver skiljer sig från processen med multi-komponentiella pulver på det sättet att förlegerade metallpulver antar en grötig form mellan temperaturerna för den fasta och flytande fasen där de faserna samexisterar under smältnings/stelningsprocessen. I takt med optimeringar gällande laserparametrarna, hittas den ideala temperaturen för SLS av förlegerade metallpulver i den grötiga zonen för att uppnå ett semi-solid system (Gu, D., 2015). Denna process kallas för supersolidus flytande fassintring (SLPS) och är den mest lämpliga SLS-processen vid bearbetning av förlegerade metallpulver då den uppnår maximal densifiering.
Detta är på grund av att förlegerade partiklar smälter inkongruent och blir därmed grötiga när en viss mängd vätska samlas längs korngränserna. Resultatet av detta blir att vätvätskan blötlägger de fasta partiklarna och korngränserna, vilket leder till en densifiering av det semi-solida systemet under de två första faserna av LPS. Bearbetningen av förlegerade metallpulver kräver strikt noggrannhet av laserparametrarnas inställningar för att tillhandhålla den inkongruenta smältningen av partiklarna i grötzonen. Men under SLS-processens lokala och snabba termiska cykel, är det svårt att bibehålla sintringstemperaturen mellan fast och flytande, vilket riskerar att försämra SLSP-processens lycka. Därmed krävs ofta efterbearbetningsbehandlingar för att öka densiteten i metallen och uppnå de begärda metallegenskaperna. (Gu, D., 2015)
3.1.3 Selektiv lasersmältning (SLM)
SLM-metoden skiljer sig från SLS på det viset att den har förmågan att framställa detaljer med full densitet utan att behöva några som helst efterbehandlingar. Detta är på grund av att SLM-metoden är baserad på en fullständig smältnings/stelningsprocess där det varken finns grötzoner, som i SLPS, eller kräver ett flertal komponenter med höga och låga smältpunkter samt tilläggsmedel som det görs i LPS.
Förmågan att fullständigt smälta metallpulver är resultatet av kontinuerliga förbättringar inom tekniken det senaste decenniet såsom högre lasereffekt, mindre fokusyta, mindre pulverlagertjocklek etc. Detta har lett till förbättrade mikrostrukturella och mekaniska egenskaper i jämförelse med SLS-bearbetade detaljer. Därmed har SLM visat sig vara en lämpligare metod för att tillverka detaljer med uppemot 99,9% densitet utan efterbehandlingar. En annan fördel SLM har gentemot SLS, är möjligheten att bearbeta icke-ferrometaller såsom titan, aluminium och koppar. Vilket idag inte kan bearbetas med SLS-metodens partiella
8
smältnings/stelningsprocess utan felaktigheter. Detta på grund av hög viskositet och s.k. Balling fenomen som är vanligt förekommande i SLS2 (Gu, D., 2015). Denna fördel
gör SLM-teknologin mer tillämpbar i flera industrier som till exempel flyg- och rymdindustrin.
Figur 2 Balling fenomen i CP-Ti fotograferat med ett svepelektronmikroskop (Attar, H. et al., 2014)
Ändå är SLM inte utan nackdelar. Metoden kräver en högre energinivå än SLS, vilket innebär högre effekt och kvalitet på laserstrålen samt tunnare pulverlager, vilket medför längre tillverkningstider. Det finns även en risk för instabilitet i smältpölen som bildas som ett resultat av den fullständiga smältnings/stelningsprocessen. Här brukar det inträffas krympningar, vilket leder till att spänningar uppstår i detaljer som sedan blir större under avsvalning. Detta leder till att defekter som sprickor kan uppstå i detaljerna. Smältpölarna kan också bidra till att Balling fenomen uppstår även här, vilket igen leder till att full densitet inte kan uppnås samt att defekter uppstår. (Gu, D., 2015)
3.1.4 Användningsområden
SLM tillämpas främst inom Rapid Prototyping (RP) mycket likt hur FDM 3D-printing används ute i industrin, men på senare tid har tekniken börjat tillämpas för att direkt tillverka enklare detaljer och i små satsstorlekar. Inom flyg- och rymdindustrin används i nuläget SLM främst i syftet av RP för att konstruera och testa komponenter såsom fixturer, konsoler och luftventilation. (Bremen, S. et al., 2012) Men på andra håll har SLM-tillverkning kommit långt nog för att tillämpas i sluttillverkningssyften. På grund av den virtuellt oändliga geometriska friheten, kan SLM-bearbetade detaljer som, exempelvis, skärverktyg och verktygshållare med anpassade kylvätskekanaler tillverkas med reducerade cykeltider och förbättrad kvalitet i verktygsindustrin. Med detta erbjuder SLM kostnadsbesparingar och ökad funktionalitet även fast tillverkningskostnader vid mindre satser vanligtvis brukar vara kostsamt vid konventionell tillverkning. (Bremen, S. et al., 2012)
2Balling fenomen är en vanligt förekommande defekt i SLS/SLM som uppstår när det smälta metallpulvret inte
9
Medicinteknik är ett annat område där SLM:s virtuellt oändliga geometriska frihet kommer väl till hands. Typiska exempel av SLM-tillverkade produkter, som idag tillverkas i individuella satser, är höftimplantat och kirurgiska instrument tillverkade av Ti-legeringar samt tandimplantat av Co-Cr. I jämförelse med konventionella tillverkningsmetoder (t.ex. gjutning), erbjuder SLM mycket lägre materialspill, tillverkningstider och tillverkningskostnader. Vidare erbjuder även SLM:s geometriska frihet möjligheten att tillverka implantat med olika egenskaper såsom graderad densitet, ihåliga strukturer och/eller anpassad ytstruktur. (Bremen, S. et al., 2012)
3.2 Jämförelse med AM-metoder
Utöver SLS och SLM finns det andra AM-metoder som skiljer sig från de två förstnämnda metoderna på olika sätt. Dessa jämförelser är menade att belysa skillnaderna och liknelserna mellan AM-metoder för att ge en bild på hur landskapet för AM-tillverkning ser ut i dagsläget. Här kommer Electron Beam Melting, Binder Jetting och Laser Metal Deposition presenteras och jämföras med SLM.
3.2.1 Electron Beam Melting (EBM)
Electron Beam Melting (EBM) är en uppfinning av det svenska företaget ARCAM AB som på 90-talet, tillsammans med Chalmers tekniska högskola, tog fram teknologin. EBM fungerar på det sättet att en elektron pistol bombarderar pulverbädden med en elektronstråle som fokuseras med hjälp av elektromagnetiska linser. Detta sker i en utbytbar vakuumsluten kammare för att undvika kollisioner mellan gasmolekyler och elektroner som kan orsaka reaktioner från reaktiva metaller. Resultatet blir att elektronstrålens kvalitet förbättras, blir noggrannare och själva processen blir säkrare. Kammaren kan ha två olika dimensioner baserat på den tänkta detaljens storlek. ARCAM erbjuder för tillfället två varianter av EBM; ARCAM A1, som är avsedd för tillverkningen av ortopediska implantat, och ARCAM A2, som är avsedd för tillverkningen av komponenter för flyg- och rymdindustrin samt försvarsindustrin. (Murr, L.E. & Gaytan, S.M., 2014)
EBM är en AM-metod som är snarlik SLM på det sättet att båda bearbetar pulver lager för lager i en kammare med en energistråle. Skillnaderna är dock att EBM använder sig av en elektronstråle istället för laser, kammaren är helt vakuumsluten istället för fylld med ädelgas och pulverbädden måste hållas över 600 °C under processens gång, vilket leder till att den måste kylas ned över natten. Detta resulterar i längre tillverkningstider än hos SLM och därmed att tillverkningskostnaderna blir högre. EBM-processen innehåller även fler parametrar än SLM vilket leder till att optimeringen av processparametrar blir ännu svårare. Detta har medfört att bearbetbara material för EBM endast är GR2 CP-Ti, Ti-6Al-4v, Inconel 718 och Co-Cr-Mo. Utöver detta är storleken av detaljerna som kan tillverkas med EBM begränsade till arean av substratet. (Gokuldoss, P.K., Kolla, S. & Eckert, J., 2017)
10
inte av då deras dåliga egenskaper gällande termisk expansion och kontraktion leder till att sprickor uppstår. Detta problem kringgås i EBM genom att förvärma pulverbädden till över 600 °C. Detta resulterar i att den termiska cykeln saktas ned nog för att undvika sprickbildning. ”Multi-pass”-strategin tillämpas även ofta inom EBM för att motverka sprickor, detta kräver längre tillverkningstider och därmed högre tillverkningskostnader per detalj.3 (Gokuldoss, P.K., Kolla, S. & Eckert, J., 2017)
Figur 3 schematisk ritning av EBM (Sidambe, A., 2014)
3.2.2 Binder Jetting
Binder Jetting är en AM-metod som framtogs av MIT på 90-talet, men som först lanserades på marknaden år 2010. Metoden fungerar på det sättet att ingen smältning sker av pulvret till skillnad från SLM. Istället besprutas pulverbädden med bindemedel som byggs upp lager för lager. Sedan måste detaljen gå igenom flera efterbehandlingssteg för att bli fullständig. Dessa steg är: härdning, sintring, infiltration, anlöpning och ytbehandling. (Xu, X. et al., 2015)
Binder Jetting har kapabiliteten att bearbeta metaller, legeringar och även keramer. Den skiljer sig procedurmässigt från SLM genom att använda sig utav bindemedel för att binda pulvret mellan sina lager. Bindemedel som används i Binder Jetting är flytande till skillnad från bindemedel som används i SLS. Binder Jetting kräver även efterbehandlingar till skillnad från SLM och de förlänger tillverkningstiden för detaljer vilket medför högre tillverkningskostnader. (Gokuldoss, P.K., Kolla, S. & Eckert, J., 2017)
Däremot är en fördel över SLM att flera detaljer kan bearbetas utan stödmaterial. Detta tillåter att flera detaljer kan bearbetas ovanpå varandra med endast ett par lager
11
pulver emellanåt. Andra fördelar Binder Jetting har över SLM är att själva bearbetningsprocessen är snabbare då antalet hål munstycket som sprutar bindemedel kan ökas samt att ingen uppvärmning av pulverbädd eller substrat krävs. Grövre pulverstorlekar är även lämpliga för denna metod vilket skär ned på tillverkningstiden inuti maskinen då själva processen inte smälter pulvret, detta medför även att spänningar som leder till sprickbildning inte uppstår i detaljerna som ett resultat av en smältnings/stelningsprocess som i SLM. Istället måste detaljerna sintras vilket fortfarande kan leda till oönskad porositet. I helhet anses Binder Jetting vara den mest konstandseffektiva AM-metoden i dagsläget men detaljerna som metoden producerar har i regel svagare mekaniska egenskaper och grövre ytfinheter än SLM. Detta hämmar användningsområdena för Binder Jetting då detaljerna inte alltid uppfyller kraven för, till exempel, bilindustrin eller flyg- och rymdindustrin. (Gokuldoss, P.K., Kolla, S. & Eckert, J., 2017)
Figur 4 schematisk beskrivning av Binder Jetting (Mostafaei, A. et al., 2018)
3.2.3 Laser Metal Deposition (LMD)
Laser Metal Deposition är en AM-metod som faller under kategorin Directed Energy Deposition (DED). Detta syftar på mekanismen som används för att bearbeta detaljer som skiljer sig från hur andra AM-metoder som SLM, SLS, EBM och Binder Jetting fungerar. DED-metoder tillverkar tredimensionella detaljer genom att en fokuserad energikälla i formen av en plasma-, laser- eller elektronstråle smälter metallen, antingen i pulverform eller som tråd, samtidigt som den distribueras på substratet eller detaljen ur ett munstycke. (Ahmad, N., 2019)
12
matningen av flera material med olika egenskaper via munstycket som kan selektivt avsättas på detaljen. Denna förmåga gör LMD till en lämplig kandidat för att tillverka specialiserade komponenter som används inom flyg- och rymdindustrin. (Gu, D., 2015)
Den största skillnaden mellan LMD och SLM är att LMD distribuerar pulvret ko-axialt med dess laser. Effekten av detta är att noggrannheten och den geometriska friheten blir lägre än hos SLM. Däremot tillåter denna mekanism hos LMD att direkt addera material till tredimensionella ytor. Detta betyder att LMD också kan användas till att reparera detaljer och även applicera korrosionsskydd. Detta gör LMD till en flexibel AM-metod med flera användningsområden. Ett av dessa användningsområden är i flygindustrin där LMD tillämpas i syftet att tillverka och reparera turbinkomponenter i Inconel 718 hos Rolls-Royce och KLM. (Gasser, A. et al., 2010)
Figur 5 schematisk beskrivning av LMD (Löffler, K., 2013)
3.3 Jämförelse med konventionella metoder
Konventionella tillverkningsmetoder har både sina fördelar och nackdelar jämfört med AM-tillverkning. Här jämförs konventionell tillverkning med SLM för att undersöka skillnaderna. Detta är menat för att sedan analysera vilka styrkor och svagheter SLM har och vad som krävs för att metoden ska bli mer adopterad i tillverkningsindustrin. I nuläget är SLM den vanligaste AM-metoden som används. Det sker mest forskning inom metoden och därmed har den mest testade, tillgängliga material att bearbeta utav alla AM-metoder. Däremot är mängden bearbetbara material med SLM fortfarande begränsade i jämförelse med konventionell tillverkning.
Det som utmärker SLM och AM-tillverkning är just dess fördelar över konventionell tillverkning. Dessa är:
13
ekologisk med anseende på materialspill, men även ekonomiskt fördelaktig då minskad materialspill och återanvändning även bidrar till lägre tillverkningskostnader; (Fousová, M. et al., 2015)
• Kapabiliteten hos SLM att tillverka avancerade detaljer med graderad porositet, ihåliga strukturer, anpassade kylvätskekanaler och specialanpassade implantat tillåter för mer avancerad produktion som efterfrågas inom industrier som flyg- och rymdindustrin samt bioteknik. (Fousová, M. et al., 2015)
SLM har även kapabiliteten att producera detaljer med lika goda mekaniska egenskaper som vid konventionell tillverkning. Problemet som kvarstår är dock förekomsten av defekter som Balling fenomen, oönskad porositet och sprickbildning på grund av interna spänningar (Song, B. et al., 2015). Detta åtgärdas med kontinuerlig forskning för att optimera processparametrar.
14
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
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
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
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)
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.
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
3.4 De senaste utvecklingarna inom SLM/AM
De senaste tio åren har varit händelserika för SLM och AM-tillverkning i helhet. Teknologin har sett mer utökad användning i industrierna, fler metaller och legeringar har blivit tillgängliga för bearbetning och själva processen har utvecklats för att bättre kunna producera högkvalitativa detaljer som kan konkurrera med de traditionella bearbetningsmetoderna. I denna del kommer de senaste rönen inom SLM rapporteras.
3.4.1 Strategier
För att kringgå vissa begränsningar som finns i nuläget hos SLM, kan det vara nödvändigt att tillämpa vissa strategier för att kunna uppnå full densitet i detaljer och undvika defekter.
Skin-core
”Skin-core”-strategin är en av de strategier som används vid bearbetningen av metaller där en för hög lasereffekt i samband med en vanligtvis använd fokusdiameter på 100 µm orsakar överhettning i metallen och därmed för stora smältpölar som drabbar detaljens ytfinhet. ”Skin-core”-strategin innebär därmed att smältningsprocessen delas upp i två delar; en inre kärna och ett yttre skal. Detta tillåter olika inställningar för varsin del så att den inre kärnan kan bearbetas med en högre hastighet då
7Uttryckt som 4,37 g/𝑐𝑚3 i källa.
8 Energidensiteten blir totalt 620 J/𝑚𝑚3 när en multi-pass strategi tillämpas där energidensiteterna vid första,
20
ytfinheten inte är en faktor som behöver tas vara på och det yttre skalet kan bearbetas med extra noggrannhet för att säkerställa en fin yta. Denna strategi bidrar inte bara till en hög ytfinhet på bearbetade detaljer, men också till snabbare tillverkningstider. (Poprawe, R. et al., 2015)
Multi-pass
”Multi-pass”-strategin, som har nämnts tidigare i denna rapport, kan tillämpas i ett scenario där full densitet inte kan uppnås med en enstaka skanning av vardera lager. Detta för att materialet som bearbetas kan ha en låg laserabsorptionsförmåga (t.ex Cu) eller kan det vara en legering med flera komponenter som har olika smälttemperaturer och laserabsorptionsförmågor (t.ext Wc-Co). ”Multi-pass”-strategin tillämpas på det sättet att den krävda energidensiteten delas på antalet gånger som pulvret skannas (Colopi M. et al., 2019) eller så ökas energidensiteten linjärt för varje gång pulvret skannas (Fortunato, A. et al., 2019). Denna strategi kräver mer tillverkningstid men den säkerställer att detaljen får en hög densitet.
3.4.2 Hårdvara
För att öka produktiviteten hos SLM bör även själva hårdvaran undersökas. Några av de sätten hårdvaran har utvecklats på de senaste åren är:
• utökningen av storleken av kammaren så att flera detaljer kan tillverkas på samma gång. SLM Solutions SLM500HL-maskin har till exempel en kammarstorlek på 500 x 280 x 365 𝑚𝑚3 vilket tillåter tillverkningen av större
eller flera detaljer;
• ha en avtagbar kammare så att förberedelserna kan ske utanför maskinen och en annan kammare kan köras medan;
• användningen av flera laserkällor samtidigt. Detta tillåter tillverkningen av flera detaljer samtidigt utan tidsförluster och kan användas i samband med ”skin-core”-strategin då olika parametrar kan ställas in och användas parallellt. (Poprawe, R. et al., 2015)
3.4.3 Förbättrad processkontroll
21
Figur 6 SLM Solutions SLM500HL-maskin med fyra laserkällor och en volym på 500 x 280 x 365 𝑚𝑚3(Ekzo, 2019)
3.5 Framtiden
SLM-tillverkning har kommit en lång väg det senaste decenniet gällande hur teknologin förhåller sig till konventionella metallbearbetningsmetoder. Men för att SLM ska se mer utbredd användning inom industrierna, bör det ske fortsatt utveckling, optimering och standardisering.
Utmaningarna som kvarstår är som följande:
• det finns en begränsad mängd material som i nuläget finns tillgängligt för AM-bearbetning;
• vanligt förekommande defekter inom AM bidrar till att detaljer inte uppfyller kravspecifikationer;
• varierande kvalitet mellan AM-tillverkade detaljer gör det svårt att konkurrera med konventionell metallbearbetning;
• en avsaknad standardisering av procedurer för att säkerställa jämn kvalitet överlag (Srivatsan, T., Sudarshan, T., 2015).
3.5.1 Standardisering av procedurer
22
idag, vilket har hämmat dess integrering i sluttillverkande produktionssystem. (Srivatsan, T., Sudarshan, T., 2015)
3.5.2 Prövning av material och optimering av processparametrar
Fortsatt forskning och utveckling krävs för att möjliggöra bearbetandet av fler metaller och legeringar, kartläggandet av dessa material och hur de beter sig med olika parameterinställningar. Detta bidrar även till standardiseringsinsatsen då många forskare och AM-företag använder egna processparametrar i nuläget.
23
4. Analys
Det som kan utvinnas från denna rapport är att SLM och AM är ämnen där det just nu sker intensiv forskning. Tekniken utvecklas kontinuerligt och i rask takt vilket medför ännu mer forskning för att ta fram nya procedurer för att bearbeta material och säkerställa kvalitet. På grund av teknologins ungdom har det ännu inte etablerats ordentliga standarder. Detta är något som visar sig när procedurerna för att bearbeta metaller och legeringar observeras noggrannare. Då det inte finns standarder för bearbetning ännu för de flesta material förutom Ti-6Al-4V, så innebär det att forskare och företag testar sig själva fram till begärda kvaliteter på detaljerna. Detta medför att parameterinställningarna som kan observeras för de olika metallerna och legeringarna i tabell 1 och 2 kan skilja sig åt mycket sinsemellan, speciellt för metallerna då de är svårare att bearbeta. Detta visar även att det har skett mycket mer forskning inom SLM-bearbetningen av legeringar än metaller.
Ett annat mönster som uppstår när de olika materialen observeras är att Balling fenomen och andra defekter är väldigt förekommande. Detta är även en anledning till att standardisera. Genom att etablera en standard kan många barnsjukdomar, i formen av defekter, elimineras och själva processen kan optimeras till en nivå som gör den konkurrenskraftig gentemot traditionell tillverkning.
I jämförelse med andra AM-metoder är SLM den mest använda på grund av flera anledningar; det sker och har skett mest forskning om den, den har flest antal testade material tillgängliga för bearbetning och har antingen lägst tillverkningstid, tillverkningskostnader eller kapabiliteten att tillverka detaljer med bästa mekaniska egenskaper relativt till konventionellt tillverkade detaljer.
I jämförelse med konventionella tillverkningsmetoder, är det tydligt, även fast SLM har flera styrkor gentemot dem, att SLM i nuläget inte kan konkurrera på grund av några anledningar:
• Även fast SLM har kapabiliteten att tillverka detaljer med nästintill lika mekaniska egenskaper som vid konventionell tillverkning, så är det fortfarande alltför vanligt med defekter;
25
5. Slutsatser
Slutsatserna som kan dras ur detta arbete med hänseende på de mål som definierades i det första kapitlet i denna rapport är som följande:
• presentera den selektiva lasersmältningsmetoden i detalj:
o SLM har förklarats på en teknisk nivå där metoden har presenterats stegvist, hur den skiljer sig från sin föregångare, SLS-metoden, och vilka användningsområden den används inom.
• jämföra den selektiva lasersmältningsmetoden med andra metoder inom additiv tillverkning såsom Laser Metal Deposition, Electron Beam Melting och Binder Jetting med avseende på kostnader, tid, material och användningsområde:
o SLM har jämförts med EBM, LMD och Binder Jetting där respektive metod har presenterats kortfattat och i kontrast mot SLM med hänseende på tillverkningstider, kostnader, material och användningsområden. SLM visar sig här vara den mest använda metoden för att den har flest tillgängliga metaller och legeringar. Den har antingen lägst tillverkningskostnader, tillverkningstid eller så har den förmågan att tillverka detaljer med bästa mekaniska egenskaper.
• jämföra den selektiva lasersmältningsmetoden med konventionell tillverkning i generella drag utifrån aspekterna teknik, ekologi och ekonomi:
o SLM har jämförts med konventionell tillverkning där det har fastställts att SLM, även fast den har kapabiliteten att tillverka detaljer med jämngod nivå som vid konventionell tillverkning, inte kan konkurrera i nuläget på grund av ett antal tekniska och ekonomiska faktorer.
• presentera ett urval av de metaller/legeringar som finns tillgängliga idag för 3D-skrivning och vilka begränsningar och unika egenskaper de kan ha:
26
• rapportera om den senaste utvecklingen inom selektiv lasersmältning: o De senaste utvecklingarna hos SLM har presenterats gällande
bearbetningsstrategier för att motverka uppkomsten av defekter, optimering av processkontroll för att säkerställa högkvalitativa detaljer och hårdvara för att utöka kapaciteten och minska tillverkningstider.
• diskutera vad den framtida utvecklingen av selektiv lasersmältning kan innebära:
27
6. Diskussion
Denna rapport fokuserade främst på den tekniska aspekten av SLM men de ekonomiska och ekologiska aspekterna bör ej överses när diskussionen handlar om adoptionen av teknologin i industrier. Den tekniska aspekten betonades dock i detta arbete för att den tänkta måldemografin för denna rapport är läsare som redan är bekanta, och jobbar, med AM/SLM och därmed redan känner till de ekonomiska och ekologiska fördelarna som teknologin erbjuder. Därmed ansåg författaren av detta arbete att tekniken bör ligga i fokus då de största utmaningarna och utvecklingarna inom SLM ligger just där.
I
Referenser
Aboulkhair, N.T. et al., 2014. Reducing porosity in AlSi10Mg parts processed by selective laser melting. Additive Manufacturing, 1-4(C), pp.77–86. (hämtad: 02/05/2020)
Agarwala, M. et al., 1995. Direct selective laser sintering of metals. Rapid Prototyping
Journal, 1(1), pp.26–36. (hämtad: 24/03/2020)
Ahmad, N., 2019. 3D Printing Technology in Nanomedicine., pp.1–22 (hämtad: 27/05/2020)
Attar, H. et al., 2014. Manufacture by selective laser melting and mechanical behavior of commercially pure titanium. Materials Science & Engineering A, 593, pp.170–177. (hämtad: 20/04/2020)
Bremen, S., Meiners, W. & Diatlov, A., 2012. Selective Laser Melting: A manufacturing technology for the future? Laser Technik Journal, 9(2), pp.33–38. (hämtad: 26/03/2020)
Carluccio, D. et al., 2019. Comparative Study of Pure Iron Manufactured by Selective Laser Melting, Laser Metal Deposition, and Casting Processes. Advanced Engineering Materials, 21(7), p.n/a. (hämtad: 21/04/2020)
Childs, T.H.C., Hauser, C. & Badrossamay, M., 2005. Selective laser sintering (melting) of stainless and tool steel powders: Experiments and modelling. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture, 219(4), pp.339–357. (hämtad: 30/04/2020)
Colopi, M. et al., 2019. Limits and solutions in processing pure Cu via selective laser melting using a high-power single-mode fiber laser. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 104(5-8), pp.2473–2486. (hämtad: 26/04/2020)
Das, S., 2003. Physical Aspects of Process Control in Selective Laser Sintering of Metals. Advanced Engineering Materials, 5(10), pp.701–711. (hämtad: 29/04/2020) Dinda, G.P. et al., 2009. Laser aided direct metal deposition of Inconel 625 superalloy: Microstructural evolution and thermal stability. Materials Science & Engineering A, 509(1-2), pp.98–104. (hämtad: 03/05/2020)
Ekzo. 2019. SLM500HL. 3dprintekzo.be. (hämtad: 13/05/2020)
Fortunato et al., 2019. Additive Manufacturing of WC-Co Cutting Tools for Gear Production. Lasers in Manufacturing and Materials Processing, 6(3), pp.247–262. (hämtad: 05/05/2020)
Fousová, M. et al, 2015. 3D printing as an alternative to casting, forging, and machining technologies? 15. 809-814. (hämtad: 27/05/2020)
Frazier, W.E., 2014. Metal Additive Manufacturing: A Review. J. of Materi Eng and
II
Gasser, A. et al., 2010. Laser Additive Manufacturing. Laser Technik Journal, 7(2), pp.58–63. (hämtad: 26/05/2020)
German, R., Suri, M. & Park, P., 2009. Review: liquid phase sintering. Journal of Materials Science, 44(1), pp.1–39. (hämtad: 24/03/2020)
Goodridge, R. & Ziegelmeier, S., 2017. Powder bed fusion of polymers. In Laser
Additive Manufacturing: Materials, Design, Technologies, and Applications. Elsevier
Inc., pp. 181–204.
Gokuldoss, P.K., Kolla, S. & Eckert, J., 2017. Additive Manufacturing Processes: Selective Laser Melting, Electron Beam Melting and Binder JettingSelection Guidelines. Materials, 10(6), pp.Materials, 2017 Jun, Vol.10(6). (hämtad: 26/05/2020)
Gu, D., 2015. Laser Additive Manufacturing of High-Performance Materials 1st ed. 2015. (hämtad: 23/03/2020)
Gu, D. & Shen, Y., 2009. Balling phenomena in direct laser sintering of stainless steel powder: Metallurgical mechanisms and control methods. (Report). Materials and
Design, 30(8), pp.2903–2910 (hämtad: 25/03/2020)
Kruth, J.P. et al., 2003. New Ferro Powder for Selective Laser Sintering of Dense Parts. CIRP Annals - Manufacturing Technology, 52(1), pp.139–142. (hämtad: 24/03/2020)
Lejček, P. et al., 2019. Selective laser melting of pure iron: Multiscale characterization of hierarchical microstructure. Materials Characterization, 154, pp.222–232. (hämtad: 21/04/2020)
Loginov, Y. et al., 2018. Effect of SLM parameters on the structure and properties of CP-Ti. AIP Conference Proceedings, 2053(1), pp.Mechanics, Resource And Diagnostics Of Materials And Structures (Mrdms-2018): Proceedings of the 12th International Conference on Mechanics, Resource and Diagnostics of Materials and Structures, Ekaterinburg, Russia (21–25 May 2018) (hämtad: 26/03/2020)
Löffler, K., 2013. 4 - Developments in disk laser welding. In Handbook of laser welding technologies. Elsevier Ltd, pp. 73–102. (hämtad: 29/05/2020)
Mostafaei, A. et al., 2018. Binder jetting of a complex-shaped metal partial denture framework. Additive Manufacturing, 21, pp.63–68. (hämtad: 29/05/2020)
Murr, L.E. & Gaytan, S.M., 2014. 10.06 - Electron Beam Melting. In Comprehensive Materials Processing. Elsevier Ltd, pp. 135–161. (hämtad: 26/05/2020)
Olakanmi, E.O., 2013. Selective laser sintering/melting (SLS/SLM) of pure Al, Al–Mg, and Al–Si powders: Effect of processing conditions and powder properties. Journal of
Materials Processing Tech, 213(8), pp.1387–1405. (hämtad: 23/03/2020)
Olakanmi, E.O. et al., 2015. A review on selective laser sintering/melting (SLS/SLM) of aluminium alloy powders: Processing, microstructure, and properties. Progress in Materials Science, 74(C), pp.401–477. (hämtad: 30/04/2020)
III
Poprawe, R. et al., 2015. SLM Production Systems: Recent Developments in Process Development, Machine Concepts and Component Design. (Hämtad: 08/05/2020) Previtali, B. et al., 2017. Comparitive costs of additive manufacturing vs. Machining: The case study of the production of forming dies for tube bending. Proceedings of the 28th Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium. Pp. 2816 – 2834.
(hämtad: 27/05/2020)
Shah, F.A. et al., 2016. Commercially pure titanium (cp-Ti) versus titanium alloy (Ti6Al4V) materials as bone anchored implants — Is one truly better than the other? Materials Science & Engineering C, 62, pp.960–966. (hämtad: 20/04/2020)
Sidambe, A., 2014. Biocompatibility of Advanced Manufactured Titanium Implants-A Review. Materials, 7(12), pp.8168–8188. (hämtad: 29/05/2020)
Song, B. et al., 2015. Differences in microstructure and properties between selective laser melting and traditional manufacturing for fabrication of metal parts: A review. Frontiers of Mechanical Engineering, 10(2), pp.111–125. (hämtad: 27/05/2020) Srivatsan, T., Sudarshan, T., 2016. Additive Manufacturing. Boca Raton: CRC Press, 1st ed. (hämtad: 12/05/2020)
Sun, Z. et al., 2016. Selective laser melting of stainless steel 316L with low porosity and high build rates. Materials & Design, 104(C), pp.197–204. (hämtad: 23/03/2020) Tan, C. et al., 2018. Selective laser melting of high-performance pure tungsten: parameter design, densification behavior and mechanical properties. Science and Technology of Advanced Materials, 19(1), pp.370–380. (hämtad: 26/04/2020)
Xu, X. et al., 2015. Energy consumption model of Binder-jetting additive manufacturing processes. International Journal of Production Research, 53(23), pp.7005–7015. (hämtad: 26/05/2020)
Zhang, S. et al., 2019. Microstructure and properties of high strength and high conductivity Cu-Cr alloy components fabricated by high power selective laser melting. Materials Letters, 237, pp.306–309. (hämtad: 04/05/2020)
