Selected problems of additive manufacturing using SLS/SLM processes

• Autorzy: Kozak Jerzy , Zakrzewski Tomasz , Witt Marta , Dębowska-Wąsak Martyna

Identyfikatory

DOI

10.2478/tar-2021-0003

Warianty tytułu

PL

Wybrane zagadnienia technologii przyrostowej z zastosowaniem procesów SLS/SLM

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Additive Manufacturing (AM) based on Selective Laser Sintering (SLS) and Selective Laser Melting (SLM) is relatively widely used to manufacture complex shape parts made from metallic alloys, ceramic and polymers. Although the SLM process has many advantages over the conventional machining, main disadvantages are the relatively poor surface quality and the occurrence of the material structure defect porosity. The paper presents key problems directly related to the implementation of AM, and in particular the selection and optimization of process conditions. The first section examines the issues of dimensional accuracy, the second surface quality and porosity problem determining the mechanical properties of manufactured products.

PL

W pracy przedstawiono kluczowe problemy związane z wdrożeniem technologii przyrostowej druku 3D w metalu, w szczególności wybór i optymalizację parametrów procesu. W pierwszej sekcji omówiono zagadnienia dokładności, druga porusza temat jakości powierzchni i problem porowatości/ gęstości przetopionego materiału określające właściwości mechaniczne wytwarzanych produktów. Technologia przyrostowa (AM) oparta na selektywnym spiekaniu laserowym (SLS) i selektywnym topieniu laserowym (SLM) jest coraz szerzej stosowana do wytwarzania części o skomplikowanych kształtach. Mimo wielu zalet procesu SLM w porównaniu z konwencjonalną obróbką, głównymi wadami są stosunkowo niska jakość powierzchni i występowanie porowatości/niskiej gęstości przetopionego materiału. Badania doświadczalne przeprowadzone zostały w zakładzie Nowoczesnych Technik Wytwarzania w Sieci Badawczej Łukasiewicz - Instytucie Lotnictwa. Próbki testowe wytworzono na drukarce 3D SISMA MySint 100 przy użyciu proszku CoCr. W badaniach na podstawie analizy wymiarowej sformułowano model matematyczny opisujący zależność średniej chropowatości powierzchni Ra od parametrów procesu SLM. Pomiary geometrii próbek na współrzędnej maszynie pomiarowej CMM i profilometrze wykorzystującym przewodność indukcyjną “Surftest SJ-210” potwierdziły adekwatność modelu matematycznego, a w szczególności, że chropowatość maleje wraz ze wzrostem mocy lasera oraz ze wzrostem odległości między ścieżkami skanowania, natomiast rośnie wraz z grubością proszku i prędkością skanowania. Zwiększenie mocy lasera i zmniejszenie grubości warstwy proszku umożliwia wytwarzanie próbek o porowatości poniżej 1%. Zwiększona grubość warstwy proszku prowadzido szybkiego wzrostu poziomu porowatości i chropowatości powierzchni. Ustawienie niskiej warstwy skutecznie poprawia jakość powierzchni wydruku, ale wyraźnie wydłuża czas drukowania.

Słowa kluczowe

EN

additive manufacturing; metal 3D printing; SLS/SLM processes

PL

technologia przyrostowa; SLM; analiza wymiarowa

• Wydawca: Wydawnictwa Naukowe Sieci Badawczej Łukasiewicz - Instytutu Lotnictwa
• Czasopismo: Transactions on Aerospace Research
• Rocznik: 2021
• Tom: Nr 1 (262)
• Strony: 24--44
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., fot., rys., tab., wykr., wzory

Twórcy

autor

Kozak Jerzy

• Łukasiewicz Research Network - Institute of Aviation, Al. Krakowska 110/114, Warsaw 02-256, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-4232-4498

autor

Zakrzewski Tomasz

• General Electric, Al. Krakowska 110/114, Warsaw 02-256, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-0502-5034

autor

Witt Marta

• Łukasiewicz Research Network - Institute of Aviation, Al. Krakowska 110/114, Warsaw 02-256, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-3093-9548

autor

Dębowska-Wąsak Martyna

• Łukasiewicz Research Network - Institute of Aviation, Al. Krakowska 110/114, Warsaw 02-256, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-6761-9121

Bibliografia

• [1] Gibson, L., Rosen, D. and Stucker, B., 2009, Additive manufacturing technologies: rapid prototyping to direct digital manufacturing, Springer New York Heidelberg Dordrecht London.
• [2] EPMA, 2019, Introduction to Additive Manufacturing Technology, third edition, European Powder Metallurgy Association. https://www.epma.com/epma-free-publications/product/introduction-to-additive-manufacturing-brochure.
• [3] Meier, Ch., Penny, R., Zou, Y., Gibbs J. S. and Hart, A. J., 2014, “Thermophysical Phenomena in Metal Additive Manufacturing by Selective Laser Melting: Fundamentals, Modeling, Simulation and Experimentation”, Annual Review of Heat Transfer, 20, pp. 241-316. 10.1615/AnnualRevHeatTransfer.2018019042.
• [4] Yadroitsau, I., 2008, “Fabrication directe d’objets 3D par fusion sélective laser à partir des poudres métalliques”. PhD thesis, Université Jean-Monnet.
• [5] Kozak, J., 2018, Mathematical Modelling of Advanced Manufacturing Processes. Institute of Aviation Scientific Publications Division, ISBN: 978-83-63539-49-8, Warsaw, Poland.
• [6] https://www.google.pl/search?q=ge+3d+printed+jet+engine&client=opera&biw=1240&bih=610&tbm=isch&tbo=u&source=univ&sa=X&ved=0ahUKEwiAycD_1snbAhXmd-poKHdPgCFMQsAQIlQE.
• [7] Kozak, J. and Zakrzewski T., 2018, “Accuracy problems of additive manufacturing using SLS/SLM processes”, AIP Conference Proceedings.
• [8] Carslow, H. S. and Jaeger, J. C., 1959, Conduction of Heat in Solids, Oxford University Press,Oxford, UK.
• [9] Alexiades, V. and Solomon, A. D., 1993, Mathematical Modeling of Melting and Freezing Processes, Washington: Hemisphere Publishing Corporation.
• [10] Cohen, M. I. and Epperson, J. P., 1968, “Application of Lasers to Microelectronic Fabrication”, Advances in Electronics and Electron Physics, pp. 139-186.
• [11] Bossak, M., and Kozak, J., 2003, “Selected problems of Designing and Manufacturing MEMS-Accelerometers”. Proceed. of Symposium on Novel Vehicle Concepts and Emerging Vehicle Technologies, Brussels.
• [12] Egger, G., Gygax, P.-E., Glardon, R. and Karapatis, N. P., 1999, “Optimization of powder layer density in selective laser sintering”. 10th Solid Freeform Fabrication Proceedings, pp. 255-263.
• [13] Ahmed H. Maamoun, Yi F. Xue, Mohamed A. Elbestawi, Stephen C. Veldhuis, 2018, “Effect of Selective Laser Melting Process Parameters on the Quality of Al Alloy Parts: Powder Characterization, Density, Surface Roughness, and Dimensional Accuracy”, Materials, 11(12), p. 2343. 10.3390/ma11122343.
• [14] Gibbings, J. C., 2011, Dimensional Analysis, Springer, London.
• [15] Chunlei Qiu, Chinnapat Panwisawas, Mark Ward, Hector C. Basoalto, Jeffery W. Brooks, Moataz M. Attallah, 2015, “On the role of melt flow into the surface structure and porosity development during selective laser melting”, Acta Materialia, 96, pp. 72-79.
• [16] Sola, A. and Nouri, A., 2019, “Microstructural porosity in additive manufacturing: The formation and detection of pores in metal parts fabricated by powder bed fusion”, Journal of Advanced Manufacturing and Processing, 1(3). 10.1002/amp2.10021.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).