Sinterizzazione laser: il futuro è già qui EXPOlaser 2013 Proprietà e perfomance di materiali metallici ottenuti mediante Fusione Laser Selettiva Sabina L. Campanelli, Giuseppe Casalino, Nicola Contuzzi, Antonio D. Ludovico Politecnico di Bari, Dipartimento di Meccanica, Matematica e Management (DMMM), Viale Japigia 182, Bari, Italia
Proprietà e perfomance di materiali metallici ottenuti mediante Fusione Laser Selettiva Ø Il laboratorio di Sinterizzazione Laser del Politecnico di Bari Ø Studio sperimentale delle proprietà e delle performance di manufatti prodotti mediante SLM Ø Esempi applicativi
ATTIVITA DI SINTERIZZATORE LASER PRESSO IL POLITECNICO DI BARI Sistema per la Sinterizzazione Laser e per la Fusione Laser Selettiva o Selective Laser Melting (SLM) di polveri metalliche M1 Concept Laser modifi cato Il laboratorio di Sinterizzazione Laser del Politecnico di Bari
ATTIVITA DI SINTERIZZATORE LASER PRESSO IL POLITECNICO DI BARI Due modalità di funzionamento del laser: o Continuous mode : Pmax 100W (SLS o SLM) o Pulse mode : Pmax 20W Repetition rate: 0-65kHz Ampiezza d impulso: 200 ns Laser Nd:YAG con lunghezza d onda pari a 1064 nm Diametro dello spot variabile tra 200 e 70 m. Il laboratorio di Sinterizzazione Laser del Politecnico di Bari
MODULO DI SINTERIZZAZIONE Il modulo di sinterizzazione comprende un unità di dosaggio che funge da contenitore di stoccaggio delle polveri metalliche, l unità di costruzione dei pezzi, il coater (dotato di lame e sistema di movimentazione a slitta per il dosaggio della polvere) e due camere laterali di stoccaggio per le polveri in eccedenza. 1. Recipiente sinistro di raccolta delle polveri 2. Coater 3. Unità di costruzione e piattaforma di costruzione 4. Unità di dosaggio delle polveri metalliche 5. Recipiente destro per la raccolta delle polveri 6. Lame del coater Il laboratorio di Sinterizzazione Laser del Politecnico di Bari
MODULO DI SINTERIZZAZIONE Laser Specchi galvanometrici Il laboratorio di Sinterizzazione Laser del Politecnico di Bari
ATTIVITA DI SINTERIZZATORE LASER PRESSO IL POLITECNICO di BARI Il sistema lavora con atmosfera controllata di azoto, che viene prodotto mediante un generatore di azoto Serbatoio aria Compressore Dimostratore Generatore di azoto S i nt e r i z z a t or e L a s e r circuito aria compressa circuito azoto Serbatoio azoto Il laboratorio di Sinterizzazione Laser del Politecnico di Bari
STUDIO DELLE PROPRIETÀ E DELLE PERFORMANCE DI MANUFATTI PRODOTTI MEDIANTE SLM Analisi del processo SLM e dei principali parametri Studio ed ottimizzazione delle proprietà meccaniche Effetto del trattamento termico (caso acciaio 18 Ni Marage 300) Saldabilità acciai sinterizzati
RAPPRESENTAZIONE SCHEMATICA DEL PROCESSO MICROGRAFIA DELLA STRUTTURA INTERNA DEL PEZZO GRANDEZZE CARATTERIZZANTI LE TRACCE DI FUSIONE
PARAMETRI DI PROCESSO Parametri laser (Potenza, diametro spot, etc.) Spessore dello strato o Layer thickness Velocità di scansione Hatch spacing Caratteristiche della polvere (dimensione, distributione, forma) La densità di energia di una singola traccia di fusione può essere calcolata mediante la seguente relazione tra potenza laser (P), velocità di scansione (v) e hatch spacing (hs) P Ed v hs J mm 2
Focalized laser beam ws = d HS
STRATEGIE DI SCANSIONE Scansione parallela alla movimentazione del coater Doppia scansione ad assi ortogonali Scansione a isole
SCANSIONE PARALLELA ALLA MOVIMENTAZIONE DEL COATER sezione parallela Ingrandimento 200 X sezione perpendicolare
DOPPIA SCANSIONE AD ASSI ORTOGONALI Ingrandimento 400 X Ingrandimento 100 X
SCANSIONE A ISOLE Ingrandimento 100X Ingrandimento 400X
STUDIO SPERIMENTALE DEL 18 Ni MARAGE 300 Element C Si Mn Co Mo Ni Ti Al Fe Wt.% 0.03 0.10 0.15 9.50 5.20 18.00 0.95 0.14 balance Dimensione media delle polveri inferiore a 40 µm
PIANI SPERIMENTALI FATTORIALI LAYER TICKNESS, LT = 30 m DIAMETRO DELLO SPOT, db = 200 m FATTORE LIVELLO 1 LIVELLO 2 STRATEGIA DI SCANSIONE LIVELLO 3 Po [W] POTENZA LASER 86 100 -------- 180 200 220 1 SET 18 PROVINI (AD ISOLE) Vb [mm/s] VELOCITA DI SCANSIONE 2 SET 18 PROVINI (A VETTORI PARALLELI) hs [mm] HATCH DISTANCE 0.12 0.14 0.16 18 COMBINAZIONI
STUDIO DELLA DENSITÀ Scansione ad isole Scansione a vettori paralleli
STUDIO DELLA DENSITÀ Scansione ad isole STRATEGIA AD ISOLE Combinazione migliore: Po=100 W Vb=180 mm/s hs=0.120 mm Scansione a vettori paralleli STRATEGIA A VETTORI PARALLELI Combinazione migliore: Po=100 W =7.95 gr/cm3 Vb=200 mm/s =7.99 gr/cm3 hs=0.120 mm
STRATEGIA AD ISOLE STRATEGIA A VETTORI PARALLELI Densità volumetrica > 99% in entrambi i casi Preferibile la strategia ad isole per garantire maggiore isotropia nel piano e riduzione delle tensioni residue, specialmente nei componenti con maggiori dimensioni
PIANO SPERIMENTALE FATTORI IN INGRESSO Potenza Laser Velocità di scansione ANOVA FATTORI IN USCITA Densità Durezza UTS Allung. a rott. 3 livelli 9 combinazioni Hatch spacing = costante Layer thickness = costante
STRATEGIA DI SCANSIONE L area da processare è stata divisa in piccoli settori di 5 mm 5mm E stata utilizzata una strategia random di scansione al fi ne di ridurre le tensioni residue e le deformazioni
ASTM E 8M 04
PROVE DI DENSITÀ Density [gr/cm3] 8,10 8,00 7,90 7,80 7,70 7,60 7,50 7,40 7,30 7,20 1,00 Massima densità per P = 100 W e v = 180 mm/s 1,50 2,00 2,50 3,00 Energy Density [J/mm 2] Il valore della densità varia tra 7.28 and 7.98 g/cm3 densità relativa massima > 99%
PROVE DI DUREZZA durezza Rockwell C. 40 HRC 30 20 10 0 1 1.5 2 2.5 Ed [J/mm2] Il massimo valore della durezza è 34HRC 3
PROVE DI RUGOSITA
UTS [MPa] MAIN EFFECT PLOT PER POTENZA E VELOCITA DI SCANSIONE VERSUS UTS [MPA] 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 1 1.5 2 2.5 2 Ed [J/mm ] 3
MAIN EFFECT PLOT PER POTENZA E VELOCITA DI SCANSIONE VERSO ELONGATION TO BREAK [%] 8.0 7.0 Elongation [%] 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 1 1.5 2 2.5 3 2 Ed [J/mm ] L allungamento a rottura è massimo per velocità e potenza settati rispettivamente al minimo ed al massimo valore del range considerato.
Prova Modulo di elasticità [GPa] Tensione di snervamento [MPa] Tensione massima [MPa] Allungamento % a rottura [%] 1 115.52 859.7 965.0 1.946 2 173.16 993.7 1162.2 5.102 3 149.45 1039.2 1148.5 5.172 4 180.16 1115.3 1192.3 6.551 5 178.81 999.2 1160.9 7.009 6 121.61 736.2 833.5 1.211 7 155.21 977.9 1133.6 7.067 8 127.93 765.5 878.9 1.918 9 172.57 985.2 1122.3 6.196
CONFRONTO CON MATERIALE STANDARD SECONDO ASM HANDBOOK Wrought 18 Ni Marage 300 ASM Handbook SLM 18 Ni Marage 300 ( r% > 99%) UTS b% HRC 1000-1170 6-17 30-37 1085-1192 5-7 30-35
DIAGRAMMI DI CORRELAZIONE TRA LE PROPRIETÀ MECCANICHE E LA RUGOSITÀ CON LA DENSITÀ RELATIVA
GRADO DI POROSITA
ASPETTO DELLA ZONA FUSA/RISOLIDIFICATA 50 μm 500 μm 100x 1000x
EFFETTO DI UN TRATTAMENTO TERMICO DI INVECCHIAMENTO SULL ACCIAIO 18 Ni MARAGE 300 Gli acciai maraging sono acciai martensitici a basso contenuto di carbonio sviluppati per applicazioni ad alte performance. Questi acciai sono induribili per invecchiamento nel range di temperature di 400-650 C. L invecchiamento sotto i 450 C produce fasi coerenti ed ordinate in una matrice martensitica. L invecchiamento tra 450 e 600 C è rapido ed intenso e dovuto alla precipitazione di fasi intermetalliche Ni3(Mo, Ti) e Fe2Mo.
EFFETTO DI UN TRATTAMENTO TERMICO DI INVECCHIAMENTO SULL ACCIAIO 18 Ni MARAGE 300 600 500 T [ C] 400 300 200 100 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 t [h] 1) 2) 3) Riscaldamento ad un tasso di 50 C/h sino alla temperatura di 490 C; 6 ore di permanenza a 490 C; Raffreddamento lento a temperatura ambiente
EFFETTO DELL INVECCHIAMENTO SULLA DUREZZA
EFFETTO DELL INVECCHIAMENTO SULL UTS
EFFETTO DELL INVECCHIAMENTO SU R% R%
CONFRONTO CON MATERIALE STANDARD SECONDO ASM HANDBOOK UTS [MPa] b% HRC 2050 7 52 2000-2097 4-5.8 48-52 Invecchiamneto 18 Ni Marage 300 (ASM Handbook) SLM invecchiato 6h a 490 C ( r% > 99%)
PROVE DI SALDATURA SU MATERIALI REALIZZATI MEDIANTE SLM Caso AISI 316L SLM PARTS Material : AISI 316L Relative density > 99%
PROVE DI SALDATURA SU MATERIALI REALIZZATI MEDIANTE SLM WROUGHT SLM 1 mm SALDATURA LASER-TIG AISI 316L MACROGRAFIA di una sezione trasversale di un giunto saldato
MICROGRAFIE DI UN GIUNTO SALDATO
MICROHARDNESS INVESTIGATION LINES
PROFILO DI MICRODUREZZA WROUGHT SLM
RESISTENZA MECCANICA DELLA SALDATURA REALIZZATA
ESEMPI APPLICATIVI DIMA PER LA SALDATURA DI UNA BARRETTA DI TITANIO Cavità cieche che fungono da guide per le spine che consentono l accoppiamento della parte inferiore della dima con la parte superiore Esempi applicativi
Fori di ingresso e uscita del fluido di raffreddamento Fori di ingresso del gas di protezione (Elio) Circuito di raffreddamento Canali per l apporto di gas di protezione nella zona di saldatura Polmone Esempi applicativi
DIMA FABBRICATA MEDIANTE SLM Esempi applicativi
STRUTTURE A BASSO PESO ED ALTA RESISTENZA MECCANICA Strutture reticolari con e senza rinforzi Celle a nido d ape Celle con fori cilindrici Fori verticali ed orizzontali Strutture porose con densità controllata Esempi applicativi
STRUTTURE RETICOLARI A BASSO PESO ED ALTA RESISTENZA MECCANICA Esempi applicativi
STUDI IN CORSO E SVILUPPI FUTURI Studio della zona fusa/solidifi cata al fi ne di migliorare ulteriormente le proprietà meccaniche Studio di strutture a basso peso ed elevate caratteristiche meccaniche (controllo di porosità) Ottimizzazione della saldabilità di materiali sinterizzati
GRAZIE