Diapositiva 1

Fabricación aditiva en metal:
introducción, tipos de tecnologías AM
en metal, SLM, aplicaciones, fases del
proceso.
Ordizia, 27 de Noviembre de 2013
Introducción a la fabricación aditiva en metal
Tecnologías de fabricación aditiva en metal.
SLM (Selective Laser Melting = Fusión Selectiva por Láser).
Materiales y parámetros de selección en SLM.
Aplicaciones SLM
Fases del proceso SLM
2
Concepto
ASTM International F42 Committee on Additive Manufacturing Technologies
Fabricación aditiva: consistente en manipular material a escala micrométrica y
depositarlo, usualmente capa a capa, para crear objetos a partir de datos 3D de un
modelo, de forma opuesta a las técnicas de fabricación sustractiva.
Introducción
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
3
Origen y evolución de la tecnología
→
→
→
→
→
→
→
Introducción
Tecnologías
1987 primer equipo AM: 3D System (EEUU)
1989 SLS: DTM 3D System
1992 Deposición de hilo fundido FDM: Stratasys
1998 nace la técnica EBM: ARCAM
2000 LMD: OPTOMEC
2003 Primer láser de fibra
2011 equipos SLM 3ª generación
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
4
Desarrollo de la tecnología: Datos interesantes
9,9% (2011)
Fuente: Terry Wohlers 2012
Introducción
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
5
Introducción a la fabricación aditiva en metal
Tecnologías de fabricación aditiva en metal
Selective Laser Sintering (SLS)
Electron Beam Melting (EBM)
ExOne
Laser Metal Deposition (LMD = 3D cladding)
Selective Laser Melting (SLM)
Comparativa entre tecnologías
Materiales y parámetros de selección SLM
Aplicaciones SLM
Fases del proceso SLM
6
Metodología de fabricación: proceso
UV, IR, eléctrico,
resistencia,…
1º Prototipado virtual: creación del modelo CAD
2° Preparación del modelo y del equipo
3° Fabricación de la pieza
4° Post-proceso.
Introducción
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
7
Procesos de fabricación aditiva base polvo
Selective laser sintering (SLS)
Electron beam melting (EBM)
Ex One (digital part materialization)
Laser Metal deposition (LMD)
Selective Laser Melting (SLM)
Introducción
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
8
Tecnologías aditivas: Selective Laser Sintering, SLS
Patentada por Dr. Carl Deckard y Dr. Joe Beaman en la University of Texas at Austin a
mediados de los años 80. Deckard and Beaman formaron la compañia DTM. En 2001, 3D
Systems el mayor competidor de DTM adquirió la compañia.
Introducción
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
9
Tecnologías aditivas: Electron beam melting (EBM) y ExOne
Introducción
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
10
Tecnologías aditivas: Laser Metal deposition, LMD
•
Laser direct casting (Sears, 1999) developed at the University of
Liverpool;
• Direct metal deposition (DMD; Mazumder et al., 1997)
developed at University of Michigan, and commercialized by Precision
Optical Manufacturing (POM);
• Directed light fabrication (DLF; Lewis et al., 1994;
Milewski et al., 1998b) developed at Los Alamos National
Laboratories;
• Laser forming (or Lasform process; Arcella and Froes, (2000)
developed by the MTS Systems Corporation and commercialized
until recently by AeroMet Corporation
• Laser deposition of metals for shape deposition
manufacturing (Fessler et al., 1996) developed at
Stanford University;
• Laser-engineered net shaping (LENS; Keicher and Miller,
1998) developed at Sandia National Laboratories and
commercialized by Optomec Design Co.;
• Laser powder fusion (Sears, 1999) commercialized by
Huffman Corporation;
Introducción
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
11
Tecnologías aditivas: Selective Laser Melting (SLM)
Introducción
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
12
Tecnologías aditivas: Comparación SLM & EBM
45-100 mm
Powder size
Introducción
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
10-45 mm
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
13
Comparativa LMD y SLM
Particle size
Introducción
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
45-100 mm
Aplicaciones SLM
10-45 mm
Fases proceso SLM
14
Introducción a la fabricación aditiva en metal
Tecnologías de fabricación aditiva en metal.
SLM (Selective Laser Melting = Fusión Selectiva por Láser).
Materiales y parámetros de selección en SLM.
Aplicaciones SLM
Fases del proceso SLM
15
Tecnologías aditivas: Selective Laser Melting (SLM)
DEPÓSITO DE CAPAS DE POLVO (20-100 mm)
• EXPOSICIÓN AL LÁSER.
• DESCENSO DE LA PLATAFORMA DE FABRICACIÓN.
PROCESO: 5 – 20 cm³/h
PROCESO AUTOMATIZADO Y QUE PERMITE INTEGRACIÓN CAD/CAM
MATERIALES PROCESABLES:
Acero inoxidable, acero de herramientas, aluminio, cobalto-cromo, inconel, titanio.
Introducción
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
16
Tecnologías aditivas: Selective Laser Melting (SLM)
Introducción
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
17
¿Por qué SLM?
Selective Laser Melting, SLM
VENTAJAS
Componentes con forma compleja y única
a partir de polvo
Funcionalización de superficies
Estructuras livianas
Superficies micro y nanoestructuradas
Partes de multimateriales (en desarrollo)
Propiedades muy similares a PM, casting,
wrought.
Introducción
Tecnologías
SLM
DESVENTAJAS
Elevada rugosidad superficial
Altas tensiones residuales
Propiedades anisotrópicas
Difícil evacuación del polvo en pequeños
canales
Costo elevado de las máquinas de SLM
Voladizos (overhangs)
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
18
Selective Laser Melting, SLM
Introducción
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
19
Selective Laser Melting, SLM
•
•
•
•
•
•
•
“Boundary”: Contorno exterior, límite de la pieza.
“Fill Contour”: Contorno o contornos paralelos al límite.
“Hatch”: Líneas que escanean el área de escaneo entre los contornos.
“Skin Hatch”: Estrategia de escaneado para la superficie exterior. Éste refunde el contorno exterior
de la pieza para obtener un acabado superficial óptimo.
“Stripe”: División del “hatch” para realizar el escaneado de menor longitud.
“Stripe size”: Tamaño del “stripe”.
“Support”: Geometrías que se generan para soportar estructuras voladizas o curvas que de otra
manera se desprenderían.
Introducción
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
20
Selective Laser Melting, SLM
Manufacturing parameters
Hatch
200
286
50
50
200
350
Potencia (W)
Exposure time (µs)
Solape en X y Y (mm)
Espesor de capa (µm)
Tamaño del spot (mm)
Velocidad de escaneo (mm/s)
Introducción
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
ZONE
Boundary
80
333
--50
180
300
Aplicaciones SLM
Contour
80
200
--50
180
500
Fases proceso SLM
21
Selective Laser Melting, SLM
Escaneado unidireccional y
bidireccional
Estrategia de escaneado
alternando por capa en X e Y
Diferentes trayectorias de escaneado en una capa. a) Filas primero; b)
Columnas primero; c) Con "stripes"; d) Ajedrezado
Introducción
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
22
Tecnologías aditivas
VENTAJAS
DESVENTAJAS
• Permite fabricar:
Productos con formas / diseños
complejos
Productos aligerados
Productos ergonómicos.
Productos con series cortas.
• Reduce errores de montaje y los
costes asociados a ellos.
• Reducción de costes asociados a
utillaje.
• Menor impacto medioambiental.
Introducción
Tecnologías
SLM
• Limitada disponibilidad y el coste de
los materiales.
• Tamaño limitado de piezas.
• Algunas equipos de AM requieren
una inversión alta.
• A día de hoy desconocimiento de la
dinámica del proceso.
• Acabado superficial de las piezas y
velocidad de fabricación.
• Manipulación de materia prima en
polvo.
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
23
Introducción a la fabricación aditiva en metal
Tecnologías de fabricación aditiva en metal
SLM (Selective Laser Melting = Fusión Selectiva por Láser)
Materiales y parámetros de selección en SLM
Morfología
Composición química
Granulometría
Fluidez
Densidad
Aplicaciones SLM
Fases del proceso SLM
24
Materiales
MATERIAL
PROPIEDADES DEL MATERIAL
Acero
inoxidable
Acero
de herramientas
APLICACIONES PRINCIPALES
ALEACIONES
Resistente a la corrosión
Buenas propiedades mecánicas
Electrodomésticos, automoción, construcción,
industria, medicina (implantes e instrumental
quirúrgico).
316L(1.4404); 1.4410
Dureza superficial alta
Resistente a la corrosión
Fácil mecanizado
Moldes para inyección de plásticos, implantes
médicos, aplicaciones marítimas, husillos y
tornillos, cuchillería y baterías de cocina.
H13 (1.2344); 1.4542 (174PH); 1.7228 (50CrMo4);
1.4541 (CLC 18-10Ti);
1.4313 (CrNiMo 13-4)
Aluminio
Buenas propiedades mecánicas y eléctricas
Buena procesabilidad (moldeo y por presión)
Automoción, aeronáutica y bienes de
producto.
AlSi12; AlSi10Mg; AlSi7Mg;
AlSi9Cu3; AlMg4,5Mn0,4
Cobalto cromo
Alta dureza
Gran resistencia a la corrosión y al desgaste
Buenas propiedades mecánicas
Biocompatible.
Implantes médicos, dental y para altas
temperaturas.
CoCrASTM F75: Co212f
Aeronáutica, turbinas de gas, motores, naves
espaciales, transbordadores aeroespaciales,
reactores nucleares, bombas…
Inconel 625; Inconel 718;
Inconel HX (2.4665)
Inconel
Alta resistencia a la corrosión y tracción
Excelente soldabilidad
Titanio
Resistente a la corrosión
Buenas propiedades mecánicas
Biocompatible
Fácil mecanizado
Introducción
Tecnologías
SLM
Implantes, aeronáutica, Formula1, diseño y
joyería y aplicaciones marítimas.
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
TiAl6V4; TiAl6Nb7;
Ti (Grade 1)
Fases proceso SLM
25
Acero inoxidable y de herramientas
Mechanical Data
1.4404
Conventional
1.2344
(H13)
1.2709
Tensile strength
Rm [MPa]
625 (±30)
500-700
1730 (±30)
1110 (±30)
Offset yield stress
Rp0,2 [MPa]
525 (±30)
200
-
985 (±30)
237 HV (±4)
<215
54 HRC (±2)
51 HRC
(±2)
Hardness
Introducción
1.4404
(316L)
Bar impact value
[J]
75 (±4)
100/60²
-
-
Thermal conductivity
[W/mK]
15
10
25,6
15
Surface roughness
RZ X/Y [ μm
]
16 (±2)
13 (±2)
12 (±2)
Surface roughness
RZ Z [ μm ]
38 (±4)
34 (±4)
35 (±4)
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
26
Aluminio
Mechanical Data
Al Si 12
Tensile strength
Rm [MPa]
409 (±20)
Offset yield stress
Rp0,2 [MPa]
211 (±20)
Hardness
Introducción
Tecnologías
105 HB (±1)
Breake strain A
[%]
5,1
Surface roughness
RZ X/Y [ μm ]
15 (±2)
Surface roughness
RZ Z [ μm ]
34 (±4)
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
27
Cobalto Cromo
Mechanical Data
CoCr ASTM F75
Tensile strength
Rm [MPa]
1050 (±20)
Offset yield stress
Rp0,2 [MPa]
835 (±20)
Hardness
Introducción
Tecnologías
35 HRC (±1)
Thermal conductivity
[W/mK]
11-14
Surface roughness
RZ X/Y [ μm ]
17 (±2)
Surface roughness
RZ Z [ μm ]
29 (±4)
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
28
Inconel
Mechanical Data
HX
625
625
Conventional
718
718
Conventional
Tensile strength
Rm [MPa]
910
680
820-1050
1200
>1230
Offset yield stress
Rp0,2 [MPa]
400
410
415
950
1030
Breake strain A
[%]
35
30
30
24
12
Thermal conductivity at
20°
C[W/mK]
11,6
11,4
10
11,5
13
Surface roughness
RZ X/Y [
μm ]
14
14
15
Surface roughness
RZ Z [ μm ]
28
28
30
*Values for annealed samples
Introducción
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
29
Titanio
Mechanical Data
Ti Al6Nb7*
Ti Al6V4*
Reintitan
pure titanium
Tensile strength
Rm [MPa]
1185 (±30)
960 (±30)
> 290
Offset yield stress
Rp0,2 [MPa]
1100 (±35)
815 (±40)
> 180
39,4 HRC (±2)
37,3 HRC (±2)
> 120
Hardness
Breake strain A
[%]
11 - 18
10 - 18
> 20
Thermal conductivity at
20° C[W/mK]
7
7,1
22,6
Surface roughness
RZ X/Y [ μm ]
14 (±2)
14 (±2)
14 (±2)
Surface roughness
RZ Z [ μm ]
36 (±4)
36 (±4)
36 (±4)
*Values for annealed samples
Introducción
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
30
Morfología del polvo
Morfologías obtenidas mediante diferentes procesos: a) Sinterizado y cuarteado b) Atomizado
por agua c) Atomizado por gas d) Aglomerado y sinterizado e) Densificado por plasma f)
Mezclado.
Introducción
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
31
Morfología del polvo: sinterización por gas
•
•
•
Introducción
Proceso más adecuado para la obtención de partículas esféricas es la sinterización
por gas.
El principio de la atomización consiste en una corriente continua de metal líquido
que se parte en gotas por el choque de un chorro de gas.
Una vez de que se haya realizado la fragmentación el polvo resultante se tamiza y
se refina en un horno con atmósfera reductora.
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
32
Composición química
Introducción
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
33
Granulometría
Para determinar el tamaño de grano o granulometría se
utiliza la difracción por láser, la cual ofrece un histograma
de tamaños de partículas, y la gráfica obtenida debe ser
de forma gaussiana. En el caso del SLM el fabricante
especifica que el 80% de polvo debe estar entre 20 y 35
µm, con una media de 28 µm.
Introducción
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
34
Introducción a la fabricación aditiva en metal
Tecnologías de fabricación aditiva en metal.
SLM (Selective Laser Melting = Fusión Selectiva por Láser).
Materiales y parámetros de selección en SLM.
Aplicaciones SLM
Fases del proceso SLM
35
Introducción
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
36
Sector médico-sanitario
• Necesidad de fabricación de piezas únicas y PERSONALIZADAS
• Es un sector de alto valor añadido por tratar con aspectos que afectan a la calidad
de vida
Piezas dentales
Fuente: Concept Laser
Introducción
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
37
Implantes articulares
Concept Laser
IK4 LORTEK
Introducción
Tecnologías
SLM
Concept Laser
IK4 LORTEK
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
38
Scaffolds
IK4 LORTEK
IK4 LORTEK
Funcionalización
• Biocompatibilidad
• Modificación superficial (Técnicas
electroquímicas y electropulido)
• Aleaciones de Ti para largos periodos
• CoCr y AISI 316L para cortos periodos
• Osteintegración
Introducción
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
39
Implantes de oído
Materialise
•
•
•
•
Fabricación a medida
Dispositivos mas livianos
Optimización de diseño
El 99% de los implantes de oído se
fabrican mediante AM
• Más de 10 millones de personas
utilizan estos componentes
Introducción
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
40
Sector de automoción
• Actualmente se utiliza para la fabricación de prototipos y la validación de nuevos
componentes
Introducción
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
41
Sector de automoción
Concept Laser
Concept Laser
Concept Laser
Introducción
Tecnologías
SLM
•
•
•
•
Fabricación de pequeñas series
Libertad de diseño
Uso más eficiente del material
Eliminación del tiempo de diseño de moldes
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
42
Sector de molde y matricería
• Posibilidad de fabricar moldes o partes de un molde con canales de refrigeración
con geometrías libres, optimizando la refrigeración
Concept Laser
IK4 LORTEK
Concept Laser
Introducción
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
43
Sector de la joyería
• Se inició como medio para el prototipado rápido de los diseños
• Actualmente está evolucionando hacia la personalización de los productos con
geometrías complejas
• El avance está restringido por la limitación en la gama de materiales
• A día de hoy técnicamente es posible utilizar oro y plata, aunque el coste de la
materia prima y su compleja gestión son limitantes
Fuente: Concept Laser
Introducción
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
44
Sector aeronáutico
• Los bajos volúmenes de fabricación, el compromiso entre la resistencia mecánica
y peso, la personalización y la necesidad de utilizar geometrías complejas hace
que el AM encaje perfectamente
SLM Solutions
Concept Laser
Introducción
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
45
Sector del arte
EOS
IK4 LORTEK
Introducción
Tecnologías
SLM
IK4 LORTEK
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
46
Otros componentes
• Proyecto FUSKITE® cuyo objetivo era demostrar a escala la posibilidad de
recuperación de tritio en reactores de fusión, como el ITER.
• Parte del demostrador (diseñado y fabricado por SENER) es un permeador de
vacío
Introducción
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
47
Fabricación aditiva al alcance de todos
Introducción
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
48
Introducción a la fabricación aditiva en metal
Tecnologías de fabricación aditiva en metal.
SLM (Selective Laser Melting = Fusión Selectiva por Láser).
Materiales y parámetros de selección en SLM.
Aplicaciones SLM
Fases del proceso SLM
Introducción
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
49
VIDEOS DEFINITIVOS PARA JORNADA\PROCESO DE PREPARACION ANTES DE MAQUINA
.avi
Introducción
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
50
IMPORT Y APLICACIÓN DE PARAMETROS Y ESTRATEGIAS EN SLM
Introducción
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
51
IMPORT DE SOPORTES, ALINEADO EN Z Y MERGE
Introducción
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
52
IDEM ANTERIOR EN PERSPECTIVA
Introducción
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
53
HOJA DE MATERIAL DATA: PARÁMETROS
Introducción
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
54
VECTORIZADO DE LAS CAPAS: SLICE Nº 0
Introducción
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
55
SLICE Nº 71
Introducción
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
56
SLICE Nº 71: DETALLE
Introducción
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
57
SLICE Nº 72
Introducción
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
58
SLICE Nº 72: DETALLE
Introducción
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
59
VISTA DE LA PIEZA Y SOPORTES TOTALMENTE VECTORIZADA
Introducción
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
60
IDEM ANTERIOR EN PERSPECTIVA
Introducción
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
61
Introducción
Tecnologías
SLM
Materiales y parámetros SLM
Aplicaciones SLM
Fases proceso SLM
62
• Tecnología nueva (20 años) con un crecimiento importante.
• Optimización de procesos de manufactura, agilizando obtención de modelo, moldes,
piezas, etc. De elevada complejidad → desplaza procesos convencionales de
mecanizado.
• Posibilidad de optimizar procesos de diseño
• Optimización de tiempos de procesado, diseño, aligeramiento y adaptación a piezas
más complejas, más pequeñas a menos coste y contaminación (GREEN TECHNOLOGY)
•
•
•
•
•
•
•
Manipulaciones previas del material, post-procesado, control de calidad
Acabado superficial de las piezas y velocidad de fabricación
Tamaño limitado de piezas
Coste de los equipos
Desconocimiento por parte de los diseñadores industriales
Aumentar la producción → limitada a prototipos o preseries
Aumentar la cuota de mercado en sectores claves (automoción y aeronaútico)
63
From material removal (Stone Age through today)
To Additive Manufacture (tomorrow)
GRACIAS