ZASTOSOWANIE TECHNOLOGII SELEKTYWNEGO SPIEKANIA LASEROWEGO (SLS) W INŻYNIERII MASZYN

Transkrypt

1 Ruszaj A., Chuchro M. Wyszynski D., Zastosowanie technologii selektywnego spiekania laserowego (SLS) w inżynierii maszyn (Selective laser sintering (SLS) technology application in mechanical Engineering), Inżynieria Maszyn 2006 Vol.11 Z.4, ss Inżynieria maszyn 2006 rapid prototyping (RP), selektywne spiekanie laserowe SLS, ** Adam RUSZAJ Maria CHUCHRO Dominik WYSZYŃSKI ZASTOSOWANIE TECHNOLOGII SELEKTYWNEGO SPIEKANIA LASEROWEGO (SLS) W INŻYNIERII MASZYN W przemysłowych procesach technologicznych nowych wyrobów coraz częściej wykorzystywane są metody RP (szybkie prototypowanie), a wśród nich selektywne spiekanie (SLS). Technologia SLS znajduje coraz szersze zastosowanie do produkcji elementów dla przemysłu samochodowego, lotniczego, telekomunikacji, mechaniki precyzyjnej, urządzeń i implantów medycznych oraz wielu innych. Jako materiały do spiekania stosowane są proszki metali, stopów metali, ceramiki oraz kompozytów. W artykule zaprezentowano możliwości technologiczne urządzenia (jedynego w Polsce) do selektywnego spiekania laserowego EOSINT M 250Xt znajdującego się w laboratorium Instytutu Zaawansowanych Technologii Produkcyjnych (IZTW) w Krakowie. 1. WPROWADZENIE Szybkie wykonywanie prototypów, modeli czy narzędzi obejmuje grupę metod najczęściej określanych w literaturze jako Rapid Prototyping (RP) i Rapid Tooling (RT). Przy czym to ostatnie określenie RT dotyczy przede wszystkim wytwarzania form wtryskowych i odlewniczych oraz tłoczników. Szybkie wytwarzanie prototypów (Rapid Prototyping RP): kształtowanie (budowanie) elementów (modeli, prototypów) przez dodawanie warstw w oparciu o jego model komputerowy (CAD), z wykorzystaniem między innymi zjawisk związanych z oddziaływaniem strumienia Politechnika Krakowska, Wydział Mechaniczny, Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji Produkcji, Kraków, Al. Jana Pawła II 37, Instytut Zaawansowanych Technologii Wytwarzania (IZTW), Kraków ul. Wrocławska 37a

2 laserowego na polimery, proszki materiałów itp.. W wyniku otrzymujemy kształt 3D elementu przez sukcesywne dodawanie kolejnych warstw. Do najpopularniejszych metod szybkiego prototypowania należą: Stereolitografia SL Wielostrumieniowe modelowanie IJP Selektywne Spiekanie Laserowe SLS Przestrzenne Spajanie Materiału Proszkowego 3DP, Wytwarzanie Przedmiotów Warstwami LOM [3, 4]. 2. SELEKTYWNE SPIEKANIE LASEROWE (SLS, DMLS) Selektywne spiekanie laserowe (Selective Laser Sintering - SLS): polega na spiekaniu, za pomocą wiązki lasera (np. Nd-YAG lub CO2 o mocy W), cienkiej warstwy proszku rozprowadzonej równomiernie na stoliku roboczym. Jest to proces termiczny, a nie chemiczny i z tego względu laser musi mieć większą moc niż na przykład w metodzie SLA. Proces spiekania przebiega najczęściej w atmosferze gazów ochronnych. Jako proszki można stosować różne materiały, począwszy od tworzyw termoplastycznych przez niskotopliwe metale i ich stopy, aż po materiały ceramiczne [2, 5]. Proces ten jest już szeroko stosowany w przemyśle. Rys. 1. Zasada powstawania wyrobu metodą SLS [2] Fig. 1.Principle of product manufacturing using SLS method [2] Poniżej przedstawiono schemat realizacji procesu SLS.

3 Rys. 2. Schemat procesu budowania modelu w procesie Selektywnego Spiekania Laserowego Fig. 2. Scheme of model building In Selective Laser Sintering process Selektywne spiekanie laserowe polega na miejscowym spiekaniu lub nadtapianiu sproszkowanego materiału roboczego przy użyciu skupionej i komputerowo sterowanej wiązki laserowej. Używa się do tego celu promieniowania laserowego z zakresu podczerwieni, którego źródłem jest laser CO 2 (λ = 10,6 µm) lub Nd:YAG (λ = 1,06 µm). W metodzie tej proces rozpoczyna się rozprowadzeniem na platformie roboczej cienkiej warstwy (0,02 0,2 mm) proszku w atmosferze gazu obojętnego. Nasypany proszek wyrównuje się za pomocą specjalnego wałka. Następnie po powierzchni proszku prowadzona jest wiązka laserowa zgodnie z zapisanymi wcześniej w pamięci urządzenia sterującego informacjami dotyczącymi kolejnych warstw poprzecznego przekroju przestrzennego obrazu wytwarzanego przedmiotu, przy czym natężenie wiązki lasera jest tak dobierane, aby spiekanie proszku następowało tylko w wybranym obszarze. Proszek otaczający model przejmuje zadanie podpierania wykonywanego warstwowo modelu. Następnie następuje obniżenie platformy roboczej o zadaną wielkość i proces ten się powtarza, aż do wytworzenia modelu w całości. Po zakończeniu procesu budowy modelu zostaje on wyjmowany z komory roboczej i poddawany odpowiedniej obróbce wykańczającej w zależności od późniejszego zastosowania. Niewykorzystany proszek w procesie spiekania może być nadal wykorzystywany w kolejnych procesach wytwórczych. Ważną cechą tej techniki jest możliwość zastosowania większej ilości materiałów proszkowych, o ile ich właściwości umożliwiają nakładanie go w postaci cienkiej warstwy, która po stopieniu połączy się z wcześniej wykonaną warstwą. Najczęściej wykorzystywanymi materiałami w procesie SLS są: tworzywa termoplastyczne, metale i stopy niskotopliwe, materiały ceramiczne, metale trudnotopliwe pokryte materiałami niskotopliwymi lub ich mieszaniny. Proces spiekania jest uwarunkowany dużą liczbą parametrów obejmujących szerokie spektrum zjawisk fizycznych i chemicznych zachodzących w czasie jego realizacji. Aby otrzymać żądany obiekt musimy wiedzieć jakie zjawiska mogą wystąpić i jakimi parametrami można będzie kontrolować przebieg procesu w zależności od tego jakiego materiału lub mieszanki użyjemy. 3. PREZENTACJA URZĄDZENIA DO SELEKTYWNEGO SPIEKANIA LASEROWEGO EOSINT M 250XT Dzięki środkom otrzymanym z Europejskiego Funduszu Wyrównywania Konkurencyjności laboratorium IZTW zostało wyposażone w urządzenie do selektywnego spiekania laserowego

4 EOSINT M 250XT oraz system skanujący Renisław Cyclone 2. Pozwala to na prowadzenie kompleksowych prac rozwojowych oraz zaoferowanie usług z zakresu szybkiego wytwarzania narzędzi i funkcjonalnych prototypów oraz skanowania przestrzennego. Urządzenie EOSINT M 250 Xt firmy EOS [2] przeznaczone jest do spiekania proszków metalowych i ich stopów. Umożliwia ono szybkie wykonanie na gotowo skomplikowanego przedmiotu, formy odlewniczej czy form wtryskowych zaprojektowanych w systemie CAD 3D. Urządzenie jest wyposażone w system monitorowania temperatury budowanego wyrobu i kalibrowania parametrów tak, aby produkt posiadał zbliżone właściwości mechaniczne w całej swojej objętości, a proces wytwarzania był powtarzalny. System wyposażony jest również w układ zarządzania dostarczanym proszkiem kontrolujący jego zużycie i wprowadzanie proszku niespieczonego ponownie do procesu bez ograniczeń i potrzeby odświeżania go (jedynie przesiewanie proszku). System zapewnia w sposób kompleksowy proces powstawania elementu, czyli: przygotowanie pliku STL na podstawie wprowadzonego modelu 3D stworzonego w środowisku CAD, automatyczny podział modelu na warstwy o określonej grubości, sprawdzenie i korektę błędów, dobór parametrów procesu a priori w trybie offline. wykonanie elementu metodą SLS. Rys. 3. Urządzenie EOSINT M 250 Xt Laboratorium Zakładu Niekonwencjonalnych Technologii Produkcyjnych -IZTW Kraków Fig. 3. System EOSINT M Laboratoty of Department of Unconventional Production Technologies IZTW Kraków CHARAKTERYSTYKA URZĄDZENIA [2] Laser CO 2 : Prędkość skanowania: 200 W 3,0 m/s

5 Grubość nakładanych warstw proszkowych: m Dokładność otrzymywanych przedmiotów: +/- 0,05mm Maksymalne wymiary budowanego elementu: 250 x 250 x 200 mm Obudowa urządzenia laserowego: klasy 1 System podawania gazu osłonowego: zintegrowany generator azotu w urządzeniu gaz osłonowy azot Na wyposażeniu znajduje się również urządzenie do czyszczenia komory roboczej i obróbki wykańczającej. Jako materiały robocze można stosować proszki metali i ich stopów o składzie i charakterystyce zbliżonej do stali węglowej, stali narzędziowej i brązu. Aktualnie pracujemy na proszkach metali firmy EOS: DirectMetal 20, Direct Steel 20 oraz Direct Steel H CHARAKTERYSTYKA PROSZKÓW [2]. DM20 Jest to drobnoziarnista mieszanka proszków metalowych składem bliska brązowi (Nibrąz). W jej skład wchodzą następujące pierwiastki: Cu, P, Sn oraz Ni. Mała zawartość niskotopliwej mieszanki Cu - P w połączeniu z brązem tworzy fazę wiążącą. W czasie interakcji z wiązka laserową w wyniku absorpcji promieniowania elektromagnetycznego i nagrzewania powstaje faza ciekła Cu - P zwilżająca pozostałe cząsteczki. Po rekrystalizacji cząsteczki o wyższej temperaturze topnienia pozostają dobrze umocowane w objętości. Uzyskiwane elementy charakteryzują się dobrymi właściwościami mechanicznymi oraz wysoką dokładnością wykonania i jakością powierzchni. Powierzchnia może być z łatwością wykańczana poprzez zabieg śrutowania i polerowania. Zróżnicowany skład mieszanki powoduje, iż w trakcie spiekania następuje rozszerzanie, co w konsekwencji prowadzi do częściowej kompensacji naturalnie pojawiającego się skurczu. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie bardzo dużej dokładności wykonania. Proszek ten nadaje się idealnie do wykonywania form wtryskowych lub prototypów. Elementy wykonane z tej mieszanki posiadają dobrą odporność na korozję. DS20 Jest mieszaniną drobnoziarnistych proszków metalowych na bazie stali węglowej podeutektoidalnej w skład której wchodzą : Fe, C, Cu, P oraz Ni. Uzyskiwane elementy charakteryzują się dużą dokładnością wykonania jak również bardzo dobrymi właściwościami mechanicznymi. Posiadają dużą gęstość i wytrzymałość. W celu uzyskania wysokiej jakości powierzchni należy zastosować zabieg śrutowania a następnie polerowania. Podobnie jak w przypadku mieszanki proszkowej na bazie brązu, dzięki odpowiednio dobranej kompozycji materiałów, dochodzi do częściowej kompensacji skurczu, dzięki czemu uzyskuje się, stosując offset znakomite dokładności wykonania elementów. Proszek nadaje się do wykonywania elementów przeznaczonych do pracy pod obciążeniem termicznym czy mechanicznym, takich jak: matryce do odlewania, tłoczniki do blach czy formy wtryskowe. DSH20 To drobnoziarnisty proszek na bazie stali i zawiera w sobie głównie Fe, Mn, Mo, Ni, Si, B, C, Cr, Cu i V. Uzyskane elementy cechuje wysoka wytrzymałość, twardość, ciągliwość, anizotropia własności, odporność na temperaturę i ścieranie oraz gęstość. Dzięki temu elementy te charakteryzują się właściwościami podobnymi do elementów wykonanych z konwencjonalnej stali narzędziowej. Obróbka wykończeniowa polega jedynie na śrutowaniu powierzchni bocznych elementów (oś z). Powierzchnia po wypolerowaniu jest wolna od porów. Proszek ten w szczególności nadaje się na wykonywanie narzędzi takich jak formy wtryskowe do produkcji seryjnej (wytrzymałość

6 części), matryc do odlewania ciśnieniowego (wytrzymałość dla stopów lekkich części) i innych gdzie odporność na ścieranie i jakość powierzchni odgrywają kluczową rolę. Rys. 4. Zdjęcie mikroskopowe stosowanych proszków [5] Fig. 4. Phothography of applied powders [5] Tabela 1. Włąściwosci proszków firmy EOS [2] Table 1. Properties of EOS powders [2] Współczynnik rozszerzalności cieplnej [10-6/K] Przewodnictwo cieplne [W/mK] Maksymalna temperatura otoczenia pracy [ C] Minimalna zalecana grubość warstwy DirectMetal20 DirectSteel20 DirectSteel H ( T=50 C ) 30 ( T=50 C ) 13 ( T=50 C ) 13 ( C) 14 ( C) 15 ( C) 15 (w 50 C) 18 (w 200 C) μm 20 μm 20 μm Uzyskiwana dokładność ±50 μm ±50 μm ±50 μm Minimalna grubość ścianki 0,6 mm 0,5 mm 0,7 mm Prędkość budowania 20 μm rdzeń 15 mm³/s 7.5 mm³/s 4 mm³/s 20 μm powłoka 2-8 mm³/s mm³/s mm³/s 40 μm rdzeń 16 mm³/s 8 mm³/s 5 mm³/s 40 μm powłoka 4 10 mm³/s 2 4 mm³/s 1-3 mm³/s Gęstość w obszarze powłoki [g/cm3] 7,6 7,6 7,8 Gęstość w obszarze rdzenia [g/cm3] 6,3 6,3 7,0 Porowatość względna[%] 8 2 <0,5 Wytrzymałość na rozciąganie [MPa] Do 400 Do 600 Do 1100

7 Granica plastyczności 800 (po obróbce cieplnej [MPa] %) Moduł Younga [GPa] Wytrzymałość na zerwanie w kierunku poprzecznym [MPa] Wydłużenie do zerwania [%] 2,5 1,5 4 Po spiekaniu Po śrutowaniu Po azotowaniu 110 HB, 115 HV (ok. 65 HRB) Twardość [HB, HV, HRB] 220 HB, 225 HV, 94 HRB 380 HB, 400 HV, ok. 112 HRB HV, HRC HV, HRC HV Bez obróbki wykończeniowej Po śrutowaniu Po polerowaniu Chropowatość powierzchni [μm] Ra=9 Ra=10 Rz=40 50 Rz=50 Ra=3 Ra=4 Rz=15 Rz=15 Ra=10 Rz=40 50 Ra=5 Rz=15 Rz do <1 Rz do <1 Rz do <1 4. PRZYKŁADY ZASTOSOWANIA Poniżej przedstawiono wybrane przykłady zastosowania procesu SLS do wytwarzania narzędzi i elementów. DirectTools (formy wtryskowe, matryce do obróbki plastycznej stałe części narzędzi inne narzędzia odlewnicze). Rys. 5. Element ze spiralnym kanałem chłodzenia wykonany w IZTW ze stali DS20 Fig. 5. Detail with cooling channel manufactured at IZTW Rys. 6. Elementy wykonane ze stali DS20 w IZTW Fig. 6. Details manufactured at IZTW Rusing steel DS20

8 Rusing steel DS20 DirectParts (prototypy, wyroby jednorazowe, specjalistyczne, krótkie serie produkcyjne, części testowe, aparatura naukowa). Rys. 7 Element z DM20 wykonany w IZTW; rzed usunięciem z płyty roboczej i śrutowaniem Fig. 7. Detail manufactured at IZTW using steel DS20; before removing working plate and surface finishing Rys. 8. Seria elementów wykonanych w IZTW z DM20. Przed usunięciem z płyty roboczej i śrutowaniem Fig. 8. Details manufactured at IZTW using steel DS20; before removing working plate and surface finishing

9 Rys. 9. Element z DM20 wykonany w IZTW przed usunięciem z płyty roboczej i śrutowaniem Fig. 9. Detail manufactured at IZTW using steel DS20; before removing working plate and surface finishing Rys. 10. Ten sam element po obróbce wykończającej Fig. 10. Detail manufactured at IZTW using steel DS20; before removing working plate and surface finishing Rys. 11. Pionek szachowy wykonany z brązu DM20 w IZTW Fig. 11. Detail manufactured at IZTW using DM20 bronze; Rys. 12. Wkładka zamka wykonana z DirectMetal 20. Pojedynczy proces DMLS zastępuje 16 operacji EDM (Firma EOS) Fig. 12. Insert of the lock manufactured using Direct Metal 20.Process DMLS replaces 16 EDM operations (Firma EOS)

10 Rys części złożeniowych kłódki wykonanych DirectMetal 20, czas dostawy 1 tydzień (80% redukcja czasu) (Firma EOS) Fig parts of padlock manufactured uusing DirectMetal 20; time of delivery 1 week, (8o % time reduction Firma EOS) 5. PODSUMOWANIE Metody Rapid Prototyping dają nowe możliwości związane z bezpośrednim wytwarzaniem krótkich serii produkcyjnych, jak również otrzymywania jednorazowych elementów składowych oprzyrządowania. Realizują zadania, które w tradycyjnym procesie technologicznym napotykają na poważne trudności i ograniczenia (nakład czasu, środków i możliwości technicznych). Metody te nie eliminują tradycyjnych metod wytwarzania, a znakomicie je wspierają lub uzupełniają. Dynamiczny rozwój metod RP (a wśród nich SLS) sprawia, iż coraz częściej selektywne spiekanie laserowe znajduje szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach przemysłu i stanowi alternatywną metodę produkcyjną w przypadku realizacji skomplikowanych, czasochłonnych i wymagających dużych nakładów finansowych operacji. Z uwagi na czas wykonywania, jakość uzyskiwanych elementów i możliwości tej metody, jest ona w odniesieniu do tradycyjnych metod produkcyjnych tania i elastyczna, a czasem niezastąpiona. LITERATURA [1] CHUCHRO M., WYSZYŃSKI D., ŻUREK R., PŁACHTA R.: Selektywne spiekanie laserowe wybranych materiałów ceramicznych. Zagadnienia Konstrukcyjne i Technologiczne Niekonwencjonalnych Technik Wytwarzania, Wydawnictwa Uczelniane Akademii Techniczno-Rolniczej w Bydgoszczy, Bydgoszcz, 2006, s [2] DOKUMENTACJA TECHNICZNA urządzenia EOSINT M 250 Xt firmy EOS GmbH. [3] OCZOŚ K.E.: Rapid Prototyping znaczenie, charakterystyka metod i możliwości, Mechanik 10, 1997, str.446 [4] RUSZAJ A., Niekonwencjonalne metody wytwarzania elementów maszyn i narzędzi, IOS Kraków, [5] WYSZYŃSKI D., LIPIEC P., CHUCHRO M., RUSZAJ A., Cladding and selective laser sintering with use of metallic powders, Advances in Production Engineering, Warsaw, 2007, Editor L. Dąbrowski, s

11 [6] WYSZYŃSKI D., LIPIEC P., CHUCHRO M., GAJDA K., Construction of stand and primary research for cladding process. Proceed. Of the 4 th International Conference on machining and Measurements of Scultured Surfaces, September 2006, Kraków, Poland, s APPLICATION OF SELECTIVE LASER SINTERING PROCESS (SLS) IN MA- CHINE ENGINEERING In working out production processes of the new details the Rapid Prototyping techniques are wider and wider applied. Among the RP methods the wide range of application finds the Selective Laser Synterig (SLS). This process of manufacturing can be efficiently applied in manufacturing prototypes parts for automobile and aircraft industries as well as telecommunication, precision engineering, medical equipment (implants) and many others. As materials the powders of metals, alloys, ceramics and composits are applied. In the paper the technical possibilities of EOSINT M 250Xt System which is exploit at Laboratory of Department of Unconventional Production Technologies IZTW Kraków.