Uitgerust met de nieuwste metaal 3D-printtechnologieën, staat het bedrijven vrij om complexe componentontwerpen te bedenken die moeilijk, zo niet onmogelijk te produceren zouden zijn met conventionele productieopties. Maar bedrijven die zich bezighouden met de productie van metalen additieven moeten voldoen aan strenge kwaliteitscontrole-eisen om veeleisende klanten, zoals die in de medische en ruimtevaartindustrie, tevreden te stellen.

Een ding dat dit moeilijk maakt, is de relatieve nieuwheid van 3D-printen in vergelijking met lang gevestigde productietechnieken.

"Mensen zijn niet volledig gaan vertrouwen op metaaladditieven (productie) als een oplossing in sommige van de meer kritieke toepassingen", zegt Zach Murphree, vice-president van wereldwijde verkoop en bedrijfsontwikkeling bij Velo3D Inc. uit Campbell, Californië, een metaal 3D printtechnologie bedrijf.

Om die reden, zei hij, voeren gebruikers van metalen additive manufacturing-systemen vaak 100% inspectie uit van kritieke componenten, wat duur is omdat het volledige niet-destructieve tests van elk onderdeel omvat.

"Ik denk dat dat anders is dan meer traditionele productietechnologieën, omdat er een langere geschiedenis is met die technologieën en meer gevestigde kennis van wat te verwachten," zei Murphree. "Als je betrouwbaarheidsintervallen voor onderdelen en een zeer strakke herhaalbaarheid van mechanische en dimensionale eigenschappen hebt vastgesteld, kun je beginnen met het terugdringen van inspectie omdat je meer vertrouwen hebt in wat je krijgt."

Hij is van mening dat het belangrijkste kwaliteitscontroleprobleem voor fabrikanten van metaaladditieven de herhaalbaarheid is, het vermogen om onderdelen te leveren die keer op keer aan de eisen van de klant voldoen.

Printkoppen brengen bindmiddel nauwkeurig aan op metaalpoeder om onderdelen laag voor laag op te bouwen. Afbeelding met dank aan ExOne

"Ik denk dat het een grotere uitdaging is voor dit soort technologie, omdat er zoveel verschillende aspecten van productie in één doos zijn samengebracht", zei Murphree. "Normaal gesproken zijn deze allemaal onderverdeeld in afzonderlijke stappen waaraan allemaal hun eigen QA/QC kunnen worden gekoppeld."

Met processen zoals de laser-poederbedfusie, of LPBF, gebruikt door Velo3D, "plak je echter poeder aan de ene kant van de machine en haal je onderdelen uit het andere uiteinde van de machine", zei hij. "Dus (je moet) ervoor zorgen dat alle dingen die in de machine gebeuren consistent en herhaalbaar gebeuren en op het kwaliteitsniveau dat vereist is voor het eindgebruik."

Een andere moeilijkheid waarmee fabrikanten van metaaladditieven worden geconfronteerd, is het voldoen aan strikte tolerantie-eisen die zijn overgedragen van andere productietechnieken naar 3D-printen, zei Andrew Carter, proces- en productie-ingenieur bij Stratasys Direct Manufacturing Inc. uit Valencia, Californië, dat metalen componenten voor klanten print. Ingenieurs nemen bijvoorbeeld vaak deeltoleranties van bewerkingsprocessen en zetten die toleranties op tekeningen voor additive manufacturing, in de veronderstelling dat de toleranties gemakkelijk kunnen worden bereikt. Om aan deze tolerantie-eisen te voldoen, vertrouwt Stratasys Direct Manufacturing vaak op conventionele productietechnieken. In feite zei hij dat de meeste kritieke kenmerken op geprinte onderdelen worden bewerkt met de vereiste toleranties.

"Het vuile kleine geheim van metaal AM is dat er veel secundaire processen nodig zijn om componenten voor eindgebruik te maken", zei hij, eraan toevoegend dat Stratasys Direct Manufacturing eigenlijk meer vloeroppervlak heeft voor secundaire procesapparatuur, waaronder warmtebehandeling en CNC-machines, dan bij AM-apparatuur.

Soms leiden vroege gesprekken met klanten tot versoepeling van de tolerantie-eisen voor additief vervaardigde metalen onderdelen. Tijdens dergelijke gesprekken, zei Carter, vraagt ​​Stratasys Direct Manufacturing klanten of bepaalde functies nodig zijn om een ​​onderdeel te laten functioneren - en zo ja, of de toleranties echt zo strak moeten zijn als de gespecificeerde. Hoewel O-ringgroeven en bijpassende elementen CNC-bewerking vereisen, kunnen functies zoals stroompaden lossere toleranties mogelijk maken, zei hij.

In vergelijking met machinale bewerking stelt additieve fabricage van metalen componenten verschillende uitdagingen voor kwaliteitscontrole. In sommige gevallen komen deze voort uit het feit dat metaal AM poeders gebruikt, wat mogelijk kan resulteren in porositeit in het eindproduct, zei Rick Lucas, chief technology officer bij het in North Huntingdon, Pennsylvania gevestigde The ExOne Co., dat industriële 3D-printsystemen voor metaal aanbiedt. en diensten. Bovendien zei hij dat er niet zoveel historische informatie is over de poeders die in metaal AM worden gebruikt als over bewerkte metalen.

Vanuit het oogpunt van AM-kwaliteitscontrole is hij van mening dat roestvast staal momenteel de gemakkelijkste metalen zijn om te gebruiken in 3D-printprocessen. Hij wijst erop dat roestvrij staal de meest gewilde AM-metalen zijn en veel worden gebruikt bij het stralen van bindmiddelen - het AM-proces dat wordt gebruikt door de machines van ExOne - en ook vaak wordt gebruikt in populaire processen, zoals LPBF en het smelten van elektronenstralen. Om deze redenen zei hij dat er meer kwaliteitsgerelateerd werk aan de AM-normen is gedaan voor roestvast staal dan voor andere metalen.

Deze metalen industriële componenten zijn 3D-geprint met een Velo3D-laserpoederbedfusiesysteem. Van links naar rechts is een dwarsdoorsnede van een kleine motor, een superkritische CO2-waaier, een microturbinecomponent en twee soorten warmtewisselaars. Elk onderdeel werd additief als een enkel stuk vervaardigd. Afbeelding met dank aan Velo3D

Een ander populair AM-metaal is Inconel 718, waarvan Murphree zei dat het zich "relatief goed gedraagt" in 3D-printprocessen. Inconel 718 wordt op dit moment ook goed begrepen omdat het veel wordt gebruikt in AM-toepassingen, zei hij.

Aan de andere kant wijst hij erop dat subtiliteiten in het fabricageproces andere bekende materialen moeilijk kunnen maken voor fabrikanten van additieven om mee te werken. Hij zei bijvoorbeeld dat zich bij de verwerking van Ti64 microstructuren kunnen vormen die de broosheid van onderdelen aanzienlijk vergroten. Bovendien kan nabewerking van aluminium AM-onderdelen de porositeit verhogen tot het punt waarop de onderdelen niet meer goed zijn, zei hij.

Carter noemt AlSi10Mg echter een van de materialen die gemakkelijker te verwerken, sneller te bouwen en vormstabieler zijn in het LPBF-proces waarop zijn bedrijf zich richt. Over het algemeen zei hij dat de materialen die het gemakkelijkst te verwerken zijn om aan de kwaliteitseisen te voldoen, de materialen zijn waar de fabrikant van het additief en de klant het meest over weten.

"Klanten moeten erop kunnen vertrouwen dat het AM-proces de materiaaleigenschappen kan produceren die ze nodig hebben, en we moeten bewijzen dat we hieraan kunnen voldoen", zei hij. "Dus hoe gemakkelijk ze ook te printen zijn, als we een geschiedenis hebben met (bepaalde) materialen, zijn dat de snelste die we in productie kunnen nemen en meten aan de eisen van kwaliteitscontrole."

Bij Stratasys Direct Manufacturing zei Carter dat deze materialen Inconel 718 en 625 omvatten, evenals kobaltchroom.

Wat betreft de QC-vereisten waaraan fabrikanten van metaaladditieven moeten voldoen, wijst Lucas erop dat sommige normen die van toepassing zijn op onderdelen die met conventionele fabricagetechnieken zijn gemaakt, ook kunnen worden toegepast op AM-onderdelen. Normen voor het testen van de druk- of treksterkte van metalen onderdelen die met conventionele middelen zijn gemaakt, kunnen bijvoorbeeld ook worden toegepast op 3D-geprinte onderdelen. Bovendien zei hij dat, aangezien het proces van bindmiddelstralen van ExOne vergelijkbaar is met het spuitgieten van metaal, MIM-normen die zijn gepubliceerd door de Metal Powder Industries Federation daarop kunnen worden toegepast.

"We gebruiken veel MPIF-normen omdat het stralen van bindmiddelen zo lijkt op conventionele poedermetallurgie," zei hij.

Hoewel standaarden voor de belangrijkste metaal-AM-processen in het verleden ontbraken, is er recentelijk veel werk op dit gebied verricht door organisaties zoals ASTM International en SAE International, die de algemeen gevolgde Aerospace Material Specifications of AMS publiceren.

"Veel standaardcommissies zijn bezig met de definitieve release van specificaties of hebben ze de afgelopen één tot twee jaar vrijgegeven", zei Murphree. “In de VS hebben we de neiging om AMS- en ASTM-specificaties te zien. ASTM F42 is een op additieven gerichte commissie en ze hebben nogal wat verschillende normen opgesteld voor alle aspecten van additieven, (inclusief) het proces, verschillende industrieën en toepassingen, en metrologie. Het wordt heel uitgebreid.”

Een waaier ondergaat een coördinatenmeetmachine-inspectie om de maatnauwkeurigheid te garanderen. Afbeelding met dank aan Stratasys Direct Manufacturing

Hij zei dat andere branchespecifieke vereisten voor metaal AM die zijn die zijn geïntroduceerd door de American Welding Society en specificaties die worden ontwikkeld door het American Petroleum Institute.

Op dit moment is Murphree van mening dat LPBF-technologie het meest volwassen metaal-AM-proces is als het gaat om naleving van QC-vereisten en -normen. De reden, zei hij, is dat LPBF de langste geschiedenis heeft en de meest gebruikte AM-metaaltechnologie is, vooral voor productie.

Ongeacht welke toepasselijke normen er zijn voor een bepaald type metaal AM, fabrikanten moeten zich alleen houden aan de normen die een klant oplegt, zei Carter, eraan toevoegend dat hij "een kleine verschuiving" ziet in de richting van het verwijzen naar industrienormen op technische tekeningen die door klanten zijn ingediend. Normcommissies zijn echter "relatief traag geweest met het publiceren van normen in vergelijking met sommige bedrijven die zich haastten om additieven toe te passen", zei hij. “Die bedrijven hebben eigen normen uitgevaardigd die we hebben gekregen en waaraan we ons houden. Zoals het er nu voor staat, zien we meer eisen komen uit door de klant uitgegeven documenten. En zelfs als de commissies normen publiceren, verwijzen de meer volwassen bedrijven nog steeds naar hun eigen normen vanwege al het geld en de tijd die ze hebben gestoken in het ontwikkelen ervan.”

Een andere reden waarom sommige bedrijven de voorkeur geven aan hun eigen normen, is dat er meer gegevens achter zitten dan de huidige industrienormen voor metaal AM. Murphree wijst erop dat er in de metaal-AM-industrie niets beter is dan de ontwikkeling en standaardisatie van eigenschappen van metalen materialen, wat in wezen het handboek is voor het toestaan ​​van lucht- en ruimtevaartontwerp.

De MMPDS-database "heeft betrouwbaarheidsintervallen die zijn ingesteld op basis van honderdduizenden monsters van mechanische eigenschappen", zei hij. "Dus je weet dat als iemand materiaal produceert volgens de MMPDS-normen, je een bepaalde set eigenschappen krijgt."

Op dit moment zei Murphree echter dat er geen vergelijkbare database of bron van ontwerptoelatingen is voor een additief proces - althans geen enkele die beschikbaar is voor het grote publiek.

"Veel grote lucht- en ruimtevaartbedrijven zijn van plan hun eigen ontwerptoelatingen vast te stellen, maar het kost tientallen miljoenen dollars", zei hij, eraan toevoegend dat Velo3D werkt aan op de MMPDS-lijst vermelde ontwerptoelatingen voor zijn LPBF-proces. "Dan hebben ze geen zin om te delen, wat begrijpelijk is, maar niet nuttig voor de industrie."

Hoewel het stralen van bindmiddelen achterblijft bij zowel LPBF als het smelten van elektronenstralen in termen van normen, "zijn we erg agressief (over) het implementeren van vergelijkbare normen", zei Lucas.

Hij zei dat machinefabrikanten samenwerken met brancheorganisaties en klanten om normen voor het proces te ontwikkelen. Deze kunnen betrekking hebben op printparameters, zoals druppelgrootte, laaghoogte, verspreidingssnelheid en bedtemperatuur, evenals details van de sinterstap die volgt op het printen.

Hoewel Lucas de druk verwelkomt om normen voor binderjetting te ontwikkelen, hoopt hij dat ze niet al te belastend worden door uit te breiden naar externe gebieden die de kwaliteit van onderdelen niet beïnvloeden.

"We werken aan het controleren van de juiste parameters," zei hij.    

William Leventon is een bijdragende redacteur van het tijdschrift Cutting Tool Engineering. Neem telefonisch contact met hem op via 609-920-3335 of via e-mail op wleventon@gmail.com.

De ExOne Co. 877-773-9663 www.exone.com

Stratasys Direct Manufacturing Inc. 888-311-1017 www.stratasysdirect.com

Velo3D Inc. 408-610-3915 www.velo3d.com

© Copyright 1995 - 2021. Snijgereedschaptechniek. Alle rechten voorbehouden.