Metallien 3D-tulostamisen metallisintrauksen tulostusparametrit

Abstract

Tässä kandidaatintyössä tutustutaan metallien 3D-tulostukseen käytettävään suoraan metallin lasersintraukseen. 3D-tulostuksen metallisintraus tarkoittaa menetelmää, jossa laserilla sintrataan metallijauhetta kerros kerrallaan, jonka jälkeen lisätään jauhetta uusi kerros ja sintrataan se kiinni edelliseen kerrokseen. Tätä jatketaan niin kauan kunnes kappale on valmis.

Tutkittavat parametrit olivat laser-, skannaus-, teho- sekä lämpötilaparametrit. Näiden parametrien sovittaminen yhteen halutun energiatiheyden saavuttamiseksi on oleellista, mutta kuinka se saavutetaan eri arvoja muuttamalla vaikuttaa lopullisen kappaleen mekaanisiin ominaisuuksiin sekä pinnanlaatuun. Esimerkiksi skannausnopeuden hidastaminen, sen sijaan että nostettaisi lasertehoa, parantaa kappaleen lopullista tiiviyttä. Mikäli halutaan parempaa pinnanlaatua skannauskuvion tihentäminen on paras vaihtoehto. Lasertehon nosto taas on järkevin jos halutaan korkeampaa kerrospaksuutta. Parametreihin, joiden säätäminen on hankalampaa, ja jotka tulisi harkita jo hankkimisvaiheessa, ovat tehoparametrit sekä lämpötilaparametrit. Tehoparametrit määrittyvät hankitun jauheen perusteella. Prosessin kannalta tärkeimpänä jauheen parametrina voidaan pitää jauheen virtaavuutta, joka puolestaan määrittyy jauheen partikkeleiden eri ominaisuuksien summasta. Laskennallisesti virtaavuutta määritettäessä on olemassa myös Hausner-suhde ja Carr-indeksi. Myös tulostimen kiinteiden osien kuten jauheen levittimen ja jauheen esilämmittimen säätäminen on työlästä, tai jälkimmäisen tapauksessa yleensä ei tarpeellista.

This Bachelor’s thesis is about reviewing and compiling the parameters used in direct metal laser sintering. Direct metal laser sintering is a method of 3D-printing where a thin layer of metal powder is sintered together, after which a new layer of powder is spread, and the process repeats for as long as is needed for the object to be ready.

Powder-, scanning-, temperature- and laser parameters were reviewed. While it is essential to reach the wanted laser energy to scan volume -ratio (i.e. energy density), the means of adjusting it is almost as important in attaining the wanted mechanical properties and surface roughness. For example, slowing down the hatching speed, instead of increasing laser power, improves the density of the printed part. To get smoother surface roughness, it is advisable to decrease the hatching distance. Moreover, increasing the laser power is the best way to increase layer height. Powder- and temperature parameters are more difficult to adjust quickly, and they should be taken into consideration when acquiring the printer and the metal powders. One of the most important powder parameters is its flow rate which in turn is the sum of various physical attributes of the powder. It can be tested or calculated using Hausner ratio or Carr index. The adjusting of recoater arm geometry and the powder preheater is also often difficult, or in the case of the latter example, often not necessary.