New lightweight optimization method applied in parts made by selective laser sintering and polyjet technologies

[EN]The continuous evolution of materials and technologies of Additive Manufacturing (AM) has led to a competitive production process even for functional parts. The capabilities of these technologies for manufacturing complex geometries allow the definition of new designs that cannot be obtained with any other manufacturing processes. An application where this capability can be exploited is the lightening of parts using internal structures. This allows to obtain more efficient parts and, at the same time, reduce the costs of material and manufacturing time. A new lightweight optimization method to optimize the design of these structures and minimize weight while keeping the minimal mechanical properties is presented in this paper.

Double ion implantation and pulsed laser melting processes for third generation solar cells

In the framework of the third generation of photovoltaic devices, the intermediate band solar cell is one of the possible candidates to reach higher efficiencies with a lower processing cost. In this work, we introduce a novel processing method based on a double ion implantation and, subsequently, a pulsed laser melting (PLM) process to obtain thicker layers of Ti supersaturated Si. We perform ab initio theoretical calculations of Si impurified with Ti showing that Ti in Si is a good candidate to theoretically form an intermediate band material in the Ti supersaturated Si. From time-of-flight secondary ion mass spectroscopy measurements, we confirm that we have obtained a Ti implanted and PLM thicker layer of 135 nm. Transmission electron microscopy reveals a single crystalline structure whilst the electrical characterization confirms the transport properties of an intermediate band material/Si substrate junction. High subbandgap absorption has been measured, obtaining an approximate value of 104 cm−1 in the photons energy range from 1.1 to 0.6 eV.

Process Monitoring and Defect Detection of Additive Manufacturing Using Inline Coherent Imaging

With applications ranging from aerospace to biomedicine, additive manufacturing (AM) has been revolutionizing the manufacturing industry. The ability of additive techniques, such as selective laser melting (SLM), to create fully functional, geometrically complex, and unique parts out of high strength materials is of great interest. Unfortunately, despite numerous advantages afforded by this technology, its widespread adoption is hindered by a lack of on-line, real time feedback control and quality assurance techniques. In this thesis, inline coherent imaging (ICI), a broadband, spatially coherent imaging technique, is used to observe the SLM process in 15 - 45 $\mu m$ 316L stainless steel. Imaging of both single and multilayer builds is performed at a rate of 200 $kHz$, with a resolution of tens of microns, and a high dynamic range rendering it impervious to blinding from the process beam. This allows imaging before, during, and after laser processing to observe changes in the morphology and stability of the melt. Galvanometer-based scanning of the imaging beam relative to the process beam during the creation of single tracks is used to gain a unique perspective of the SLM process that has been so far unobservable by other monitoring techniques. Single track processing is also used to investigate the possibility of a preliminary feedback control parameter based on the process beam power, through imaging with both coaxial and 100 $\mu m$ offset alignment with respect to the process beam. The 100 $\mu m$ offset improved imaging by increasing the number of bright A-lines (i.e. with signal greater than the 10 $dB$ noise floor) by 300\%. The overlap between adjacent tracks in a single layer is imaged to detect characteristic fault signatures. Full multilayer builds are carried out and the resultant ICI images are used to detect defects in the finished part and improve upon the initial design of the build system. Damage to the recoater blade is assessed using powder layer scans acquired during a 3D build. The ability of ICI to monitor SLM processes at such high rates with high resolution offers extraordinary potential for future advances in on-line feedback control of additive manufacturing.

Studio dell'influenza dei parametri di processo nella tempra laser di acciaio C48

Il presente lavoro di tesi si propone di analizzare l’influenza dei parametri caratteristici di una macchina laser temprante. Il materiale su cui sono state effettuate le prove è un acciaio C48 . Il lavoro è suddiviso nelle seguenti fasi : Studio delle sorgenti laser Prove in laboratorio Preparazione e studio metallografico dei campioni Analisi dei risultati Nei primi tre capitoli verranno esposte, in maniera più o meno dettagliata, le nozioni teoriche riguardanti le sorgenti laser, sul quale verte il lavoro di tesi. Nel dettaglio verranno descritte: la natura fisica delle sorgenti laser, ossia delle onde elettromagnetiche, le loro proprietà, la sorgente più comune dal punto di vista industriale, i sistemi di trasporto e di focalizzazione del fascio in fibra ottica e l’interazione laser-materia, che rappresenta il punto di partenza delle lavorazioni mediante laser. Successivamente, nel capitolo 4, l’esposizione verterà sul particolare impiego del laser nelle operazioni di tempra. nel capitolo 5, verrà descritta l’attività svolta: le specifiche della macchina, i parametri dell’impulso utilizzati, i risultati numerici delle misurazioni e le foto delle zone temprate. Per rendere più chiaro il seguito, passerò ad una piccola parte introduttiva, che verrà poi approfondita nel dettaglio successivamente, sui principali campi d’impiego della tecnologia laser, le applicazioni industriali ed i componenti di una generica stazione di lavorazione mediante laser.

The foundations of a new approach to additive manufacturing: Characteristics of free space metal deposition

In this paper, we report on the realisation of a free space deposition process (FSD). For the first time the use of a moving support structure to deposit tracks of metal starting from a substrate and extending into free space is characterised. The ability to write metal shapes in free space has wide ranging applications in additive manufacturing and rapid prototyping where the tracks can be layered to build overhanging features without the use of fixed support structures (such as is used in selective laser melting (SLM) and stereo lithography (SLA)). We demonstrate and perform a preliminary characterisation of the process in which a soldering iron was used to deposit lead free solder tracks. The factors affecting the stability of tracks and the effect of operating parameters, temperature, velocity, initial track starting diameter and starting volume were measured. A series of 10 tracks at each setting were compared with a control group of tracks; the track width, taper and variation between tracks were compared. Notable results in free space track deposition were that the initial track diameter and volume affected the repeatability and quality of tracks. The standard deviation of mean track width of tracks from the constrained initial diameter group were half that of the unconstrained group. The amount of material fed to the soldering iron before commencing deposition affected the taper of tracks. At an initial volume of 7 mm3 and an initial track diameter of 0.8 mm, none of the ten tracks deposited broke or showed taper > ∼1°. The maximum deposition velocity for free space track deposition using lead-free solder was limited to 1.5 mm s-1. © 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Rapid Manufacturing - auch mit SLM

Rapid Manufacturing (RM) wurde als Schlagwort in der letzten Zeit insbesondere aus dem Bereich des Selective Laser Sintering (SLS) bekannt. In dieser inzwischen über 15-jährigen Technologieentwicklung wurden in den vergangenen Jahren bedeutende Fortschritte erzielt, die die Bauteileigenschaften nahe an die Anforderungen für End-Teile heran brachten. So ist das RM denn auch weniger aus der Sicht grösserer Losgrösse zu verstehen. Viel mehr bedeutet Rapid Manufacturing, dass die Bauteile nach einer generativen Fertigung direkt im Endprodukt resp. der Endanwendung zum Einsatz kommt. Das Selective Laser Melting, mit welchem aus metallischen Pulvermaterialien direkt Metallteile in Standardmaterialien hergestellt werden können, ist aufgrund der guten Materialeigenschaften für RM prädestiniert. In den ersten Anwendungsfeldern des SLM–Verfahrens standen die Herstellung von Werkzeugeinsätzen mit konturnaher Kühlung (Conformal Cooling) im Vordergrund, wobei diese Werkzeuge unter dem Begriff RM verstanden werden müssen, da die Werkzeuge direkt für die Endanwendung - den Spritzgussprozess - verwendet werden. Aktuelle Trends gehen jedoch in Richtung der Fertigung von Funktionsteilen z.B. für den Maschinenbau. Obwohl sich in der Fertigung komplexer Funktionsteile noch Probleme, z.B. mit in Bezug auf die generative Baurichtung überhängender Bauteilstrukturen ergeben, zeigen sich trotzdem erhebliche Vorteile eines RM mittels SLM. Neben klaren Vorteilen durch das mögliche Customizing von Bauteilen können bei kleineren Bauteilgrössen auch erhebliche Kostenvorteile erzielt werden. Allerdings zeigen die Grenzen der aktuellen Möglichkeiten, in welchen Bereichen das SLM-Verfahren weiterer Entwicklung bedarf. Themen wie Produktivität, die Problematik der nach wie vor notwendigen Supportstrukturen wie auch Qualitätssicherung müssen in den nächsten Jahren angegangen werden, wenn dieses Verfahren den Schritt hin zu einem etablierten Produktionsverfahren und damit zu breiterer Akzeptanz und Anwendung finden soll

SLM von Polylactiden zur Herstellung von resorbierbaren Implantaten

Rapid Manufacturing von individuellen Implantaten mittels Selective Laser Melting (SLM) wurde für metallische Standardwerkstoffe in der Medizintechnik (Titanlegierungen, Kobalt-Chrom-Legierungen, Stahl) realisiert. Dies sind permanente Implantate, die entweder dauerhaft im Körper verbleiben oder in einer zweiten Operation entfernt werden. Eine vom ILT mittels SLM hergestellte Hüftpfanne aus TiAl6V4 konnte bereits erfolgreich im Patienten implantiert werden. Die regenerative Therapie ist jedoch die klinisch bevorzugte Strategie. Das bedeutet, dass der Selbstheilungsprozess des menschlichen Körpers für die Heilung von großen Knochendefekten genutzt wird. Ein neuer Ansatz zur Implantatfertigung folgt dieser Strategie. Der SLM-Prozess wird für die Verarbeitung von bioresorbierbaren Werkstoffen entwickelt um individuelle Implantate zu fertigen, die im Körper abgebaut und durch körpereigenes Knochengewebe ersetzt werden. Diese Arbeit beschreibt die Qualifizierung des SLM Verfahrens für die Verarbeitung von einem Kompositmaterial aus Polylactid / β-Tricalciumphosphat (PDLLA/β-TCP).

Direkte generative Fertigung von Schmiedegesenken eröffnet neue Möglichkeiten

Umformwerkzeuge sind eine neue und bislang nicht erforschte Anwendung generativ gefertigter Werkzeuge. Der Vortrag präsentiert ein Fallbeispiel, bei dem ein typisches Schmiedeteil mit recht komplexer Geometrie erfolgreich unter Verwendung eines generativ gefertigten Schmiedegesenks hergestellt werden konnte. Die Marktanforderungen zur frühestmöglichen Verfügbarkeit echter Schmiedeteile werden dargestellt. Die gesamte Prozesskette von der 3D-CAD-Werkzeugkonstruktion über die Schmiedeprozesssimulation, das Laserstrahlschmelzen der Gesenkeinsätze und die Gesenkmontage bis hin zu den eigentlichen Schmiedeversuchen unter produktionsähnlichen Bedingungen wird dargestellt und mit konventioneller Schmiedegesenkkonstruktion und ‑fertigung verglichen. Die Vorteile und Besonderheiten der generativen Prozesskette werden herausgestellt. Die gefertigten Schmiedeteile werden hinsichtlich Formfüllung, Maßhaltigkeit und Gefüge mit konventionell geschmiedeten Teilen verglichen. Die Lieferzeit der generativ gefertigten Schmiedegesenke wird der von konventionell hergestellten gegenübergestellt, ebenso die Kosten, um die Vorteile des Einsatzes generativer Fertigung herauszustellen. Es werden Randbedingungen beschrieben, unter denen die generative Fertigung von Schmiedegesenken technisch und wirtschaftlich sinnvoll ist.

Untersuchung zur Reduzierung des Verzugs durch Vorwärmung bei der Herstellung von Aluminiumbauteilen mittels SLM

Das generative Fertigungsverfahren Selective Laser Melting (SLM) wird zur direkten Herstellung von metallischen Funktionsbauteilen verwendet. Während des Bauprozesses entstehen durch den schichtweisen Aufbau und die lokale Energieeinbringung mittels eines fokussierten Laserstrahls thermisch induzierte Eigenspannungen, die zu Verzug des Bauteils oder von Bauteilbereichen führen können. Üblicherweise werden die Verzüge durch Stützstrukturen zwischen Bauteil und Substratplatte verhindert. Jedoch ist es nicht immer möglich alle Bereiche eines Bauteils, je nach Komplexität der Geometrie oder Zugänglichkeit, mit Stützstrukturen zu versehen bzw. diese wieder zu entfernen. Durch eine Vorwärmung der Substratplatte während des Bauprozesses können die Verzüge reduziert oder ganz vermieden werden. Jedoch ist bisher keine systematische Untersuchung des Einflusses der Vorwärmung auf Verzüge von Aluminium Bauteilen durchgeführt worden. Ziel dieser Arbeiten ist daher die systematische Untersuchung der Auswirkung einer Vorwärmung beim SLM von Aluminiumbauteilen und die Ermittlung der geeigneten Vorwärmtemperatur, bei der nahezu keine Verzüge mehr entstehen. Eine signifikante Verzugsreduzierung im Vergleich zu den Verzügen ohne Vorwärmung zeigt sich ab einer Vorwärmtemperatur von 150°C. Bei einer Vorwärmtemperatur von 250°C sind im Rahmen der Messgenauigkeit unabhängig von der untersuchten Twincantilever Testgeometrie keine Verzüge mehr feststellbar. Neben der Reduzierung der Verzüge verhindert die Vorwärmung außerdem spannungsbedingte Risse im Bauteil, die ohne Vorwärmung zum Abreißen von Teilen der Testgeometrie führen können. Mit 90 HV 0,1 bei 250°C Vorwärmtemperatur ist die Härte größer als die geforderte Mindesthärte nach DIN EN 1706 von Druckgussbauteilen aus dem Werkstoff AlSi10Mg. Aus diesem Ergebnis kann abgeleitet werden, dass eine Vorwärmtemperatur von 250°C geeignet ist, Bauteile aus dem Werkstoff AlSi10Mg mit SLM defektfrei und prozesssicher herzustellen und Verzüge vollständig zu vermeiden.

Prozessoptimierung des SLM-Prozesses mit hoch-reflektiven und thermisch sehr gut leitenden Materialien durch systematische Parameterfindung und begleitende Simulationen am Beispiel von Silber

Additive Manufacturing durch Aufschmelzen von Metallpulvern hat sich auf breiter Front als Herstellverfahren, auch für Endprodukte, etabliert. Besonders für die Variante des Selective Laser Melting (SLM) sind Anwendungen in der Zahntechnik bereits weit verbreitet und der Einsatz in sensitiven Branchen wie der Luftfahrt ist in greifbare Nähe gerückt. Deshalb werden auch vermehrt Anstrengungen unternommen, um bisher nicht verarbeitete Materialien zu qualifizieren. Dies sind vorzugsweise Nicht-Eisen- und Edelmetalle, die sowohl eine sehr hohe Reflektivität als auch eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen – beides Eigenschaften, die die Beherrschung des Laser-Schmelzprozesses erschweren und nur kleine Prozessfenster zulassen. Die Arbeitsgruppe SLM des Lehr- und Forschungsgebietes Hochleistungsverfahren der Fertigungstechnik hat sich unter der Randbedingung einer kleinen und mit geringer Laserleistung ausgestatteten SLM Maschine der Aufgabe gewidmet und am Beispiel von Silber die Parameterfelder für Einzelspuren und wenig komplexe Geometrien systematisch untersucht. Die Arbeiten wurden von FEM Simulationen begleitet und durch metallographische Untersuchungen verifiziert. Die Ergebnisse bilden die Grundlage zur schnellen Parameterfindung bei komplexen Geometrien und bei Veränderungen der Zusammensetzung, wie sie bei zukünftigen Legierungen zu erwarten sind. Die Ergebnisse werden exemplarisch auf unterschiedliche Geometrien angewandt und entsprechende Bauteile gezeigt.

Impact of SLM build parameters on the surface quality

Additive manufacturing by melting of metal powders is an innovative method to create one-offs and customized parts. Branches like dentistry, aerospace engineering and tool making were indicated and the manufacturing methods are established. Besides all the advantages, like freedom of design, manufacturing without a tool and the reduction of time-to-market, there are however some disadvantages, such as reproducibility or the surface quality. The surface quality strongly depends on the orientation of the component in the building chamber, the process parameters which are laser power and exposure time, but also on the so-called “hatch”-strategy, which includes the way the laser exposes the solid areas. This paper deals with the investigation and characterization of the surface quality of generated parts produced by SLM. Main process parameters including part orientation, part size and hatch strategies are investigated and monitored. The outcome is a recommendation of suitable hatch strategies depending on desired part properties. This includes metered values and takes into account process stability and reproducibility.

Process Gas Infiltration in Inconel 718 Samples during SLM Processing

Argon infiltration is a well-known problem of hot isostatic pressed components. Thus, the argon content is one quality attribute which is measured after a hot isostatic pressing (HIP) process. Since the Selective Laser Melting (SLM) process takes place under an inert argon atmosphere; it is imaginable that argon is entrapped in the component after SLM processing. Despite using optimized process parameters, defects like pores and shrink holes cannot be completely avoided. Especially, pores could be filled with process gas during the building process. Argon filled pores would clearly affect the mechanical properties. The present paper takes a closer look at the porosity in Inconel 718 samples, which were generated by means of SLM. Furthermore, the argon content of the powder feedstock, of samples made by means of SLM, of samples which were hot isostatic pressed after the SLM process, and of conventionally manufactured samples were measured and compared. The results showed an increased argon content in the Inconel 718 samples after SLM processing compared to conventional manufactured samples.