Nieuw project: de kwaliteit van de met Laser Beam Melting bekomen werkstukken doen stijgen

LBM is inmiddels uitgegroeid tot een erkend procedé voor het maken van metalen werkstukken. Het procedé lijdt echter nog onder diverse problemen, waardoor een kwaliteitsgarantie nog niet mogelijk is. Sirris heeft een nieuw project gelanceerd met het oog op een verbetering van de beheersing van de complexe thermiek van dit procedé.    

Het LBM-procedé van additive manufacturing (Laser Beam Melting) verschijnt steeds vaker op het voorplan als instrument voor de productie van complexe en functionele metalen werkstukken. Het gamma van materialen dat tegenwoordig te verkrijgen is, beantwoordt aan de industriële noden. In de toepassingen waar de metallurgische kwaliteit en de mechanische eigenschappen van de gefabriceerde stukken echter vrij kritisch zijn, brengt deze techniek niet voldoende garantie wat betreft de bekomen  eigenschappen en de herhaalbaarheid van de bekomen kwaliteit. 

Indien men erin slaagt de fabricageparameters te verfijnen, zijn de eigenschappen bekomen in laboratoria heel dicht bij deze die de industriëlen verwachten voor de aangewende materialen en dus vrij interessant voor de toekomst. Men kan echter deze eigenschappen niet waarborgen voor echte stukken wanneer de thermische condities in de loop van het maakproces gaan schommelen en de mechanische en microstructurele eigenschappen afhankelijk zijn van de thermische historiek van elke laag. 

De opvolging van deze condities is bovendien onvoldoende. Deze zijn af te leiden uit de complexe thermische balans van onder andere:

  • de energieaanvoer van de laser voor elk stuk (fusie van het metaalpoeder, omzetting van fase, opwarming van de voorgaande lagen)
  • de verwarming van het draagplateau (vermindering van thermische schok, van interne spanningen en van vervormingen)
  • verlies door geleiding door het poeder naar de wanden en naar het plateau
  • de gedwongen convectie door argonspoeling
  • de straling

De operator moet technologische parameters (laservermogen, snelheid en frequentie van scanning, temperatuur van het plateau, …) kiezen in functie van het materiaal en van het soort werkstuk (fijn, massief, ….) bepaald voor standaard condities. Vermits de sectie van de stukken voortdurend evolueert en de verschillende stukken op hetzelfde plateau in productie een invloed hebben op elkaar, zijn de condities in de praktijk verschillend. Er is nog steeds geen systeem gevonden voor doeltreffende regeling. De operator kan enkele correcties aanbrengen in functie van wat hij de visu waarneemt op het oppervlak van de lagen, maar regelingen zijn nog empirisch. 

Uit het uitzicht van de lagen en analyses van de gerealiseerde stukken kan men veronderstellen dat er van tijd tot tijd oververhitting plaatsvindt tijdens het maken, te wijten ofwel aan een exces van energie, ofwel aan een onvoldoende verspreiding van de geaccumuleerde warmte. Omgekeerd vindt men delaminatie en ruwe lagen bij te lage temperaturen. 

Deze afwijkingen zijn lokaal bron van gebreken zoals porositeit, barsten door opstapeling van spanningen of afwijkingen van eigenschappen en zelfs problemen in de productie waardoor de lopende bewerkingen fout kunnen gaan.  

De huidige oplossingen van de fabrikanten omvatten visuele of thermische gegevens die men enkel aan het oppervlak van het poeder kan bekomen en deze zijn dikwijls gebaseerd op een vergelijking met de voorgaande lagen.
Ideaal zou zijn de temperatuur te stabiliseren op elke laag, middels een evolutieve parameterinstelling of regeling. De eerste stap echter is het uitvoeren van metingen en in kaart brengen van deze temperaturen. 

Het Qualam-project dat zopas gestart is en dat 2 jaar zal lopen heeft als doel meer kennis op te doen over de thermische uitwisseling van LBM door een thermische grafiek te maken in reële tijd, gekoppeld aan de opmeting van de temperaturen aan het oppervlak om het procedé beter te beheersen en de parameters optimaal te kunnen instellen in functie van de schommelingen in de loop van het maakproces.
Een verdere stap voorwaarts naar kwaliteitsgarantie en opvolging die de industriëlen verwachten. 

De combinatie van het thermisch metamodel en de opmetingen van temperaturen aan het vrije oppervlak van het stuk in productie zal uiteindelijk moeten leiden tot een volledige thermische historiek, dankzij een 3D-beeld van de thermische uitwisseling, waar metingen niet anders kunnen gebeuren. 

Sirris zal een evaluatie maken van de efficiëntie van de bestaande oplossingen en specificaties uitschrijven. Sirris zal de uitrustingen aanpassen aan de meetopstelling, om ten slotte aan de hand van eenvoudige studiestukken de correlaties op te maken tussen de microstructuren, de mechanische eigenschappen en de procesparameters. Het centrum zal ook de bereikte verbeteringen evalueren in termen van kwaliteit. 

De partners in dit project zijn CRM, dat zorgt voor de instrumenten op de machine, Cenaero dat het model ontwikkelt en ULg-MMS dat de fysische eigenschappen van de geprinte stukken zal beoordelen en analyseren.