Poederbedfusie

Overzicht

Poederbedfusie is een additief fabricageproces waarbij thermische energie wordt gebruikt om lagen van een poederbed selectief samen te smelten om onderdelen op te bouwen. Het is een van de meest gebruikte metalen 3D printtechnologieën voor productietoepassingen.

Enkele belangrijke details over poederbedfusie:

• Het behoort tot de familie van vatfotopolymerisatie van additieve productie.
• Een thermische energiebron zoals een laser- of elektronenbundel wordt gebruikt om materiaalpoeder te smelten en samen te smelten.
• De gebruikte poeders zijn meestal metalen zoals roestvrij staal, titanium, aluminium, nikkellegeringen en kobalt-chroom. In sommige processen kunnen ook polymeren en keramiek worden gebruikt.
• Poederbedfusie kan volledig dichte metalen onderdelen maken met mechanische eigenschappen die vergelijkbaar zijn met traditionele productie.
• Het maakt complexe geometrieën mogelijk die niet mogelijk zijn met conventionele subtractieve technieken.
• Toepassingen zijn te vinden in de ruimtevaart, de medische sector, de tandheelkunde, de auto-industrie en algemeen industrieel gebruik.
• Populaire poederbedtechnologieën zijn onder andere selectief lasersmelten (SLM), direct metal laser sintering (DMLS), elektronenstraalsmelten (EBM) en binder jetting.

Poederbedfusieprocessen

Er zijn verschillende poederbedfusietechnologieën ontwikkeld. De belangrijkste zijn:

Selectief lasersmelten (SLM) is de meest gebruikte poederbedfusietechnologie. Een hoogvermogen laser (bijv. vezel, CO2, YAG) wordt gericht op een poederbed om smeltpoelen te creëren en materiaal te smelten. Het poederbed zakt na elke laag en er wordt nieuw poeder overheen verspreid. SLM maakt gebruik van volledig smelten zodat volledig dichte onderdelen kunnen worden gemaakt. Materialen zoals roestvrij staal, titanium, aluminium en Inconel worden vaak gebruikt.

Direct metaallasersinteren (DMLS) DMLS werkt op dezelfde manier, maar heeft als doel het poeder slechts gedeeltelijk te smelten om halzen tussen de deeltjes te vormen en zo een massief onderdeel te maken. DMLS stelt lagere eisen aan het laservermogen dan SLM.

Elektronenbundelsmelten (EBM) gebruikt een elektronenbundel als energiebron die onder vacuüm wordt gericht om de metaalpoeders laag voor laag te smelten. EBM maakt hogere bouwsnelheden mogelijk dan lasergebaseerde processen omdat de straal sneller kan scannen. EBM wordt meestal gebruikt met titaniumlegeringen in ruimtevaarttoepassingen.

Meerstraalsfusie (MJF) maakt gebruik van inkjetprintkoppen om selectief smeltmiddel op een polymeerpoederbed te deponeren dat vervolgens gesinterd wordt door een energiebron. MJF maakt sinteren op hoge snelheid van thermoplasten mogelijk.

Binder spuiten Eerst wordt een vloeibaar bindmiddel op geselecteerde plaatsen aangebracht om het poedermateriaal te binden, gevolgd door sinteren om het onderdeel dichter te maken. Het kan worden gebruikt voor metalen, keramiek en polymeren.

Poederbedfusiematerialen

Een reeks materialen kan worden gebruikt bij poederbedfusie-additive manufacturing. De meest voorkomende zijn:

De meest gebruikte zijn roestvrije stalendie een goede corrosiebestendigheid en mechanische eigenschappen bieden. Titanium legeringen zoals Ti6Al4V zijn populair in de ruimtevaart vanwege de gewichtsbesparing ten opzichte van staal en nikkellegeringen. Aluminium legeringen lichtgewicht onderdelen voor de auto- en luchtvaartindustrie mogelijk maken.

Nikkel-superlegeringen zoals Inconel worden gebruikt voor turbinebladen bij hoge temperaturen en raketstraalpijpen. Kobalt-chroomlegeringen zijn biocompatibel en worden veel gebruikt in tandheelkundige restauraties. Polymeren zoals nylons, PEEK en polyamiden kunnen worden gesinterd voor kunststofonderdelen. Keramiek zoals zirkonia en aluminiumoxide hebben toepassingen in medische implantaten.

De verdeling van de deeltjesgrootte, de stroombaarheid, de dichtheid van de verpakking en het smeltpunt zijn belangrijke eigenschappen van poedermaterialen die de verwerkbaarheid en de uiteindelijke eigenschappen van onderdelen bepalen.

Poederbedfusietoepassingen

Poederbedfusie-additive manufacturing wordt gebruikt in de ruimtevaart, medische sector, tandheelkunde, auto-industrie en algemene machinebouw. Typische toepassingen zijn:

In ruimtevaartpoederbedfusie is ideaal voor eenmalige onderdelen zoals satellieten en UAV's. Het wordt gebruikt voor lichtgewicht onderdelen van titanium en nikkellegeringen, zoals turbines, straalpijpen en vliegtuigrompen.

Voor medischOp maat gemaakte implantaten en prothesen van titaan en kobaltchroom zijn een belangrijk toepassingsgebied. Het maakt ook gepersonaliseerde chirurgische instrumenten mogelijk.

In automobielHet poederbed wordt gebruikt voor lichtgewicht prototypes en op maat gemaakte gereedschappen en opspansystemen zoals mallen. Voor industrieel apparatuur, het maakt gespecialiseerde gereedschappen, mallen en metalen onderdelen voor eindgebruik mogelijk.

In architectuurpoederbedfusie maakt unieke geometrieën mogelijk voor decoratieve en functionele elementen in gebouwen en meubels.

Voordelen van poederbedfusie

Enkele belangrijke voordelen van poederbedfusietechnologieën zijn:

• Complexe geometrieën - Ingewikkelde interne kenmerken en rasters zijn mogelijk.
• Maatwerk - onderdelen kunnen op maat worden gemaakt voor individuele toepassingen.
• Lichtgewicht - het gewicht van componenten verminderen door ontwerpen te optimaliseren.
• Consolidatie - assemblages combineren tot losse onderdelen.
• Grote sterkte - volledig dichte metalen vergelijkbaar met de sterkte van gesmeed materiaal.
• Kortere doorlooptijden - snelle doorlooptijd van digitaal bestand tot onderdeel.
• Massaal maatwerk - schaalvoordelen combineren met maatwerk.
• Duurzaamheid - minder afval in vergelijking met subtractieve processen.

De mogelijkheid om dichte metalen onderdelen te produceren met aangepaste complexe geometrieën maakt poederbedfusie ideaal voor lichtgewicht onderdelen met hoge prestaties in verschillende industrieën. De technologie maakt consolidatie van assemblages tot enkelvoudige onderdelen mogelijk, waardoor de productie- en voorraadkosten dalen. Het gebruik van additieve productie resulteert ook in aanzienlijk minder materiaalverspilling dan traditionele subtractieve methoden zoals CNC-verspaning.

Beperkingen van poederbedfusie

Enkele van de huidige beperkingen zijn:

• Beperkingen in grootte - Bouwvolumes zijn meestal minder dan 1 kubieke meter.
• Oppervlakteafwerking - trapsgewijs effect dat nabewerking vereist.
• Bouw snelheid - langzamer dan productiemethoden met grote volumes.
• Anisotrope eigenschappen - richtingsvariaties in materiaaleigenschappen.
• Normen - gebrek aan codes en specificaties voor kwalificerende onderdelen.
• Software - ontwerpregels en complexiteit van bestandsvoorbereiding.
• Kosten - apparatuur en materiaalkosten nog steeds relatief hoog.

De maximale componentgrootte wordt beperkt door het bouwvolume van de machines, dat steeds groter wordt maar meestal nog steeds minder dan 1 kubieke meter bedraagt. Het laag-voor-laag proces kan resulteren in een slechte oppervlakteafwerking die gladmaken en polijsten vereist.

De algemene bouwsnelheden zijn lager in vergelijking met hoogvolume productietechnologieën zoals spuitgieten. Onderdelen kunnen ook anisotrope eigenschappen vertonen afhankelijk van de bouworiëntatie. Het gebrek aan standaarden en specificaties voor het kwalificeren van geprinte onderdelen is ook een beperking in sterk gereguleerde industrieën zoals de lucht- en ruimtevaart en de medische sector. Het ontwerpen van optimale onderdelen en het voorbewerken van bestanden vereist geavanceerde software-expertise.

De systeem- en materiaalkosten zijn nog steeds relatief hoog in vergelijking met traditionele productie. De kosten dalen echter naarmate er meer gebruik van wordt gemaakt en veel toepassingen kunnen de kosten rechtvaardigen dankzij de prestaties van de onderdelen, maatwerk en ontwerpflexibiliteit.

Nabewerking

Post-processing verwijst naar de stappen die nodig zijn na het bouwproces om een afgewerkt onderdeel te maken:

• Poeder verwijderen - Onderdelen worden met behulp van borstels gescheiden van ongesmolten poeder.
• Ondersteunt verwijdering - Draagstructuren worden afgesneden en het oppervlak gereinigd.
• Oppervlakteafwerking - Schuren, slijpen, parelstralen ter verbetering van

Procesparameters

Er zijn verschillende belangrijke procesparameters die kunnen worden afgestemd om eigenschappen, prestaties en productiviteit te optimaliseren met poederbedfusie:

Laserkracht heeft invloed op de toegevoerde energie, de smeltsnelheid, de afmetingen van het smeltbad en de dieptepenetratie. Scansnelheid regelt de stollingssnelheid en koelsnelheid die de korrelmorfologie en defectvorming beïnvloeden.

Hatch-afstand stelt de afstand tussen scansporen in en beïnvloedt overlapping, verdichting en hechting tussen lagen. Laagdikte bepaalt de resolutie, oppervlakteruwheid en totale bouwtijd.

Scanstrategie (scanpatronen) beïnvloedt restspanningen, vervorming en anisotrope eigenschappen op basis van de printrichting. Procesatmosfeer bepaalt de mate van oxidatie en vervuiling.

Recycling van poeder

• Ongesmolten poeder kan worden geoogst en gezeefd om grote deeltjes te verwijderen
• Normaal gesproken tot 20 cycli hergebruikt
• Vermindert de poederkosten aanzienlijk
• Vers poeder toegevoegd om chemie aan te vullen en te behouden
• Eigenschappen gecontroleerd op hergebruikdrempels

Poederbedfusieprocessen hergebruiken ongesmolten poeder voor extra builds. Na het depowderen wordt het losse poeder geoogst, gezeefd om grote deeltjes te verwijderen en gemengd met vers poeder voor hergebruik.

Typische hergebruiksnelheden zijn tot 20 cycli, afhankelijk van het materiaal, veranderingen in de deeltjesgrootte en verontreinigingsniveaus. Deze recycling verbetert de materiaalefficiëntie aanzienlijk en verlaagt de algemene kosten van onderdelen. De verhouding en eigenschappen van het hergebruikte poeder worden gecontroleerd om de verversingspercentages te bepalen.

Kwaliteitscontrole

Enkele belangrijke kwaliteitscontrolemaatregelen die worden gebruikt bij poederbedfusie zijn:

• Chemische analyse van poeders
• Analyse van deeltjesgrootteverdeling
• Hergebruik van poeder bijhouden
• Smeltbadbewaking
• Inspectie van onderdeelgeometrie
• Mechanische eigenschappen testen
• Niet-destructief onderzoek (bijv. röntgen)
• CT-scan voor inwendige afwijkingen
• Meting van oppervlakteruwheid

De chemische samenstelling van het ingangspoeder en de verdeling van de deeltjesgrootte worden geanalyseerd om een hoge kwaliteit te garanderen. De verversingssnelheid van het poeder wordt bijgehouden. Systemen voor procesbewaking zoals smeltbadbewaking detecteren defecten tijdens het bouwen.

Geprinte onderdelen worden gemeten op geometrische toleranties. Mechanische testen beoordelen de eigenschappen op basis van procesparameters en bouworiëntatie. Niet-destructieve en CT-scans identificeren interne gebreken. De oppervlakteafwerking wordt geëvalueerd. Alle gegevens worden geanalyseerd om processen te kalibreren en te optimaliseren.

Kostenanalyse

De typische kosten van poederbedfusieonderdelen zijn afhankelijk van:

• Afschrijving van machines
• Materiaalkosten
• Arbeid voor voor- en nabewerking
• Bouwtijd en energieverbruik
• Hoeveelheid herbruikbaar poeder
• Buy-to-fly-ratio

Machineuitrustingskosten worden afgeschreven over de verwachte levensduur op basis van gebruik. Materiaalkosten worden berekend op basis van onderdeelvolume en buy-to-fly ratio. Arbeid omvat bestandsvoorbereiding, instellen, depowderen en afwerkingsstappen.

Het energieverbruik hangt af van de bouwtijd en het vermogen. Herbruikbaar poeder verlaagt de totale materiaalkosten. Buy-to-fly ratio's van 3:1 tot 20:1 zijn gebruikelijk voor hoogwaardige onderdelen.

Leveranciers

Enkele van de belangrijkste leveranciers van poederbedfusiesystemen zijn:

EOS en 3D-systemen waren vroege pioniers op het gebied van poederbedfusie en zijn vandaag de dag nog steeds toonaangevend. GE-additief Concept Laser en Arcam EBM overgenomen om zowel laser- als elektronenbundeltechnologieën aan te bieden. Trumpf en Sisma leveren ook industriële SLM-systemen. AddUp is een joint venture tussen Michelin en Fives die zich richt op additive manufacturing van metaal.

Er zijn ook veel leveranciers van materialen voor poederbedfusie, waaronder Carpenter, Sandvik, Praxair, LPW Technology en AP&C.

Kostenvergelijking

Poederbedsystemen hebben hoge uitrustingskosten van $100.000 voor industriële printers tot meer dan $1 miljoen voor grote productiesystemen. Materialen variëren van $100-500/kg. De productiesnelheid varieert van 5-100 cm3/uur, afhankelijk van de technologie.

CNC-bewerking heeft lagere materiaalkosten vanaf ongeveer $50.000. Metaal materiaalkosten zijn goedkoper met $5-50/kg. Snelheden variëren van 50-500 cm3/uur.

Spuitgietsystemen kosten ook meer dan $100.000. Maar plastic materiaal is met $2-5/kg erg goedkoop. Snelheden zijn 100-1000 cm3/uur.

Poederbedfusie is dus alleen rendabel voor metalen onderdelen met een lager volume en een hoge waarde, waar de prestaties de hogere kosten waard zijn.

Poederbedfusie vs. bindmiddelstralen

• Poederbedfusie kan volledig dichte onderdelen produceren terwijl binder jetting onderdelen poreus zijn en infiltratie vereisen.
• De nauwkeurigheid van bindmiddelstralen is matig, terwijl poederbedfusie met nabewerking een hogere nauwkeurigheid kan bereiken.
• De afwerking van het poederbedfusieoppervlak vereist afwerking, terwijl bindmiddelstralen een gelaagde afwerking met structuur heeft.
• Binder jetting bouwt veel sneller op dan poederbedprocessen die beperkt worden door de energiebron.
• Poederbed wordt meer gebruikt voor onderdelen voor eindgebruik, terwijl binder jetting beter is voor tooling, gieten en conceptmodellen.

Poederbedfusie vs. gerichte energiedepositie

• Poederbedfusie wordt meestal gebruikt met metalen, terwijl DED metalen en polymeren kan gebruiken.
• Poederbedfusie maakt een hogere complexiteit mogelijk dan DED, dat een aantal geometrische beperkingen heeft.
• De nauwkeurigheid is hoger bij poederbedfusie. De DED-nauwkeurigheid is gemiddeld.
• DED creëert ruwe oppervlakken die meer nabewerking vereisen door additieve parels.
• Poederbedfusie bouwt kleinere onderdelen terwijl DED middelgrote tot grote bijna-netvormen maakt.
• DED heeft veel hogere depositiesnelheden dankzij de geblazen poederaanpak.

Poederbedfusie produceert dus over het algemeen kleinere, complexe geometrieën met gematigde snelheden. DED maakt grotere eenvoudige vormen veel sneller, maar met meer nabewerking.

De toekomst van poederbedfusie

Enkele gebieden van toekomstige ontwikkeling voor poederbedfusie zijn:

• Grotere bouwvolumes tot meerdere kubieke meters
• Snellere scanmethoden om bouwsnelheden te verhogen
• Uitbreidende materialen zoals legeringen voor hoge temperaturen, MMC's, polymeren
• Hybride productie met integratie van poederbedfusie en CNC
• Geautomatiseerd depoweren en nabewerken
• Geavanceerde realtime bewaking en besturing
• Strengere kwalificatie- en certificatieprocedures

Grotere bouwplatforms maken grotere onderdelen of een hogere productiedoorvoer mogelijk. Nieuwe, snellere scantechnologieën kunnen de bouwsnelheid drastisch verhogen. De materiaalopties zullen zich blijven uitbreiden, vooral naar hoogwaardige legeringen.