Miten käsitellä prosessikehitystä metallin additiivisessa valmistuksessa?

Amit Saini, sovellusinsinööri AMEXCI:ssä

Metallien additiivinen valmistusteollisuus on kasvanut harppauksin viime vuosikymmenen aikana, ja on korkea aika pohtia prosessin ja siihen liittyvien monien muuttujien ymmärtämistä. Uudet koneet voivat viedä AM-tuotannon seuraavalle tasolle, mutta teollisuus suhtautuu edelleen epäilevästi eri materiaalien saatavuuteen ja itse prosessiin. Vaikka kyse on uudesta prosessista, se voidaan silti yhdistää ainutlaatuisella tavalla perinteisiin lämpövalmistusprosesseihin, kuten valuun, hitsaukseen ja metallin muokkaukseen. Loppujen lopuksi näissä perinteisissä tekniikoissa käsitellään vain materiaaleja, jotka käyttäytyvät omalla ainutlaatuisella tavallaan valmistusprosessin tyypin suhteen. Käyttämällä tätä tietoa yhdessä laserfotoniikan taitotiedon kanssa voimme löytää keinoja kehittää ainutlaatuisia käsittelystrategioita. Tätä lähestymistapaa voidaan soveltaa moniin kaupallisesti saatavilla oleviin metalliseoksiin sekä suunnitella uusia AM-menetelmää varten räätälöityjä metalliseoksia.

Rajoitukset ja mahdollisuudet:

Vuosien mittaan niiden materiaalien valikoima, joita voidaan menestyksekkäästi käsitellä L-PBF:llä, on kasvanut, mutta se ei ole vieläkään lähelläkään niitä vaihtoehtoja, joita meillä on käytettävissämme tavanomaisissa valmistusmenetelmissä. Yksi syy on se, että useimmat seosmallit on luotu soveltumaan muihin valmistusprosesseihin. Nyt samaa lähestymistapaa voidaan soveltaa AM:ään. Toinen tärkeämpi syy on laajamittaisten prosessointistrategioiden puute nykyisille seoksille. On ollut lukuisia esimerkkejä siitä, että uusia materiaaleja on otettu johdonmukaisesti käyttöön L-PBF:ssä. Prosessiparametrien kehittämisen tietotaito on kuitenkin vain harvojen saatavilla, jotka ovat useiden vuosien ajan työskennelleet teknologian parissa ja kehittäneet omia ainutlaatuisia lähestymistapojaan prosessien kehittämiseen. Tässä yritämme yleistää materiaalin valintaa ja prosessin kehittämistä koskevan lähestymistavan, mutta sitä ei välttämättä voida soveltaa kaikkiin materiaaleihin. Jokaisella materiaalilla voi olla omat luontaiset ominaisuutensa, jotka voivat johtaa erilaisiin komplikaatioihin.

Vaikka mahdollisuudet voivat olla loputtomat, prosessiin liittyy myös rajoituksia. Selkeä tietotaito on tärkeää ennen kuin investoidaan metallin AM:n materiaalikehitysprojektiin. Oikea seoksen valinta ja materiaalien käyttäytymisen ymmärtäminen laservuorovaikutuksessa on ensimmäinen askel oikeiden prosessistrategioiden kehittämisessä L-PBF:lle. Erityisestä materiaalista riippuen seuraavia vaiheita voidaan silti hyödyntää monissa seosmalleissa ja AM:n käyttöönotossa. 

1. Materiaalien käyttäytymisen ymmärtäminen valmistusprosesseissa

AM-prosessin kehittämisen ensimmäinen askel on ymmärtää materiaalien käyttäytymistä eri valmistusprosesseissa, mikä on itsessään laaja aihe. Syvällinen ymmärrys erilaisista muista lämpövalmistusprosesseista on yhtä tärkeää, kun kehitetään metallien AM-prosessin taitotietoa. Kun puhutaan valmistusprosesseista ja materiaalien käyttäytymisestä, on monia alateemoja, jotka on otettava huomioon. Osa niistä mainitaan jäljempänä: 

a) valmistusprosessin tyyppi, energialähteet, materiaalin käsittelyolosuhteet ja muut prosessimuuttujat. 

b) materiaalin tyyppi, onko se eutektinen, intermetallinen, kiinteä liuos vai jokin muu. 

c) seoksen sulamisalue ja sen vaikutus tiettyyn valmistusprosessiin. 

d) Seoksen jähmettymismekanismi 

e) faasimuutokset ja faasimuutosten vaikutus jähmettymiseen. 

f) Materiaalien lämpöfysikaaliset ominaisuudet 

g) materiaalin tavoitellut mekaaniset ominaisuudet

2. Jauheen raaka-aineen ominaisuuksien ymmärtäminen

Esiseostettuja jauheita käytetään yleisesti raaka-aineena lasersädeavusteisissa AM-tekniikoissa. Laadukkaiden raaka-aineiden valmistaminen AM-menetelmässä on haastava prosessi, koska ne ovat alttiita hapettumiselle suuren pinta-alansa vuoksi. Metallijauheilla on muutamia ominaisuuksia, jotka on ymmärrettävä ja joita on hallittava laadukkaampien komponenttien valmistamiseksi.

a) Jauhevirtaus, näennäinen tiheys ja hanatiheys. 

b) Hausnerin suhde ja Carr-indeksi: Nämä ovat jauheiden juoksevuuden ja kokoonpuristuvuuden indikaattoreita. 

c) Hiukkasten muoto ja kokojakauma: Pallomaiset jauheet ovat muodoltaan ihanteellisia, koska ne ovat parhaiten juoksevia ja niiden pinta-ala on pienin. L-PBF:ssä käytetään nykyisin enintään 10 μm - 100 μm:n hiukkaskokoja laserprosessoinnin ja tulostustarkkuuden rajoitusten vuoksi. Hiukkaskoko on jaettava siten, että saadaan mahdollisimman suuri pakkaustiheys. Tämä voidaan saavuttaa jauhepartikkelikokojen gaussisella jakaumalla. 

d) Pintamorfologia: Myös yksittäisen hiukkasen morfologialla on suuri merkitys kokonaisprosessin kannalta. Jopa pallomaisesta hiukkasesta voi läheltä tarkasteltuna paljastua pinnan epäsäännöllisyyksiä, kuten huokoisuutta tai karheutta. Nämä voivat johtaa virheisiin, kuten hapettumiseen ja hiukkasten välisen kitkan aiheuttamaan heikentyneeseen juoksevuuteen. 

e) epäpuhtauksien osuus: Epäpuhtauksien osuus metallijauheissa on erittäin merkittävä sekä painatusprosessin että lopullisten komponenttien ominaisuuksien kannalta. On selvitettävä, esiintyykö kyseisiä alkuaineita alkuaineena vai kemiallisena yhdisteenä. 

3. L-PBF-koneiden optiikan ymmärtäminen

L-PBF-koneiden optiikkajärjestelmä koostuu seuraavista osista:

a) Laserlähde: L-PBF:ssä käytetään ensisijaisesti kuitulasereita. Kuitulasereiden käytön etuja ovat muun muassa korkea optinen laatu, optisen reitin vähäinen lämpövääristymä, pienempi lämmöntuotto, kompakti koko ja pitkä käyttöikä.

b) Kollimaattori: ottaa laserlähteestä sironneita hiukkasaaltoja ja tekee niistä yhdensuuntaisia tai yhdensuuntaisia.

c) Säteen laajentaja: ottaa kollimoidun säteen ja laajentaa sen kokoa.

d) Skanneri: Laserskannerit käyttävät pyörivien peilien järjestelmää kohteiden järjestelmälliseen skannaamiseen ja mittaamiseen lasersäteen asemoimiseksi tai ohjaamiseksi. 

e) F-theta-objektiivi: Näitä linssejä käytetään, jotta saadaan lähes vakio pistekoko koko rakennetasolla. Tämä saavutetaan, koska F-θ-linsseissä säteen siirtymä on suoraan verrannollinen θ:hen ja riippuu F x θ:stä, jossa F on polttoväli ja θ tarkoittaa säteen kulmaa radiaaneina. Näiden linssien toinen etu on niiden kompakti rakenne, joka mahdollistaa tasaisen kuvatason tuottamiseen tarvittavien optisten komponenttien määrän vähentämisen.   

On myös erittäin tärkeää ymmärtää, minkälainen säteen profiili on ja miten sitä hallitaan. Useimmissa L-PBF-optiikkajärjestelmissä on Gaussin säteilyprofiili, jossa on suuri Rayleighin pituus. Syynä tähän on se, että säde voi levitä laajoilla alueilla ilman merkittävää hajontaa. Lasertarkennuksen ja halutun sädekohdan hallitseminen ovat edellytyksiä laadukkaiden komponenttien valmistamiselle.

4. L-PBF:n prosessiparametrien ymmärtäminen

Onnistuneeseen komponentin tulostukseen liittyy yli 50 prosessimuuttujaa. Voimme jakaa nämä muuttujat kahteen luokkaan: bulkkiparametrit ja pintaparametrit. Ensimmäinen vaihe on kehittää materiaalille oikeat bulkkiparametrit, jotka määrittävät suurimman osan sen ominaisuuksista. Tämän jälkeen voidaan siirtyä kehittämään pintaparametreja. Tärkeimpiä bulk-parametreja ovat laserin teho, skannausnopeus, luukkuväli ja kerrospaksuus, mutta niihin liittyy monia muitakin prosessimuuttujia, jotka ovat yhtä tärkeitä. Pintaparametreja tarvitaan, jotta voidaan valmistaa komponentteja, joilla on vaikea geometria, poistaa mahdolliset pinnanalaiset huokoset ja parantaa pinnan laatua.

5. Lujennusmekanismit ja lämpökäsittelyjen hyödyntäminen

Komponenttien jälkikäsittelyllä on ratkaiseva merkitys AM-prosessin elinkaaren loppuun saattamisessa ja lopullisen kappaleen tuottamisessa. Jälkikäsittelyyn voi kuulua esimerkiksi jännityksen lieventämistä/lämpökäsittelyä ja pintakäsittelyjä. Lämpökäsittely itsessään on tärkeä vaihe materiaalin prosessikehityksen loppuun saattamisessa. Usein meidän on kehitettävä AM-komponenttien räätälöityjä lämpökäsittelyjaksoja ottaen huomioon tulostuksen jälkeinen ainutlaatuinen mikrorakenne. Ne auttavat myös vähentämään komponentteihin syntyviä jäännösjännityksiä, jotka johtuvat suurista lämpökuormituksista tulostusprosessin aikana.

Jos olet kiinnostunut kuulemaan lisää edellä mainituista aiheista tai sinulla on mielessäsi jokin projekti, ota rohkeasti yhteyttä. Joissakin koulutusohjelmissamme täällä AMEXCI:ssä jaamme suunnittelijoille ja materiaaliasiantuntijoille tietoa siitä, miten AM-menetelmää voidaan soveltaa heidän sovelluksiinsa. Me AMEXCI:llä työskentelemme jatkuvasti uusien materiaalien prosessikehityksen parissa sekä nykyisten tulostusmateriaalien laadun parantamiseksi. Julkaisemme tulevaisuudessa syvällisempiä artikkeleita edellä mainittuihin aiheisiin liittyen, joten muista tilata uutiskirjeemme saadaksesi viimeisimmät päivitykset!

[hyödyllinen]