Kvalitetskontroll vid additiv tillverkning

Transkript

1 Kvalitetskontroll vid additiv tillverkning Erik Lindgren (KIMAB) Med inspel från: Sven Karlsson (IVF), Per-Johan Wahlborg (IVF), Sten Farre (SWECAST), Peter Lundin (KIMAB), Mikael Malmström (KIMAB) Niclas Stenberg (KIMAB), Fredrik Wredenberg (KIMAB), Annika Strondl (KIMAB), Joakim Ålgårdh (KIMAB) 1

2 Outline Introduktion Publicerad forskning Några pågående svenska forskningsprojekt 2

3 Introduktion Kvalitetskontroll vid AM Utskrivna komponenten/produkten (inte råmaterialet här) Delamineringar, porositet, restspänningar, geometriavvikelser, sprickor, mikrostruktur Metallkomponenter Mestadels tråd och pulverbädd Processprediktering Processövervakning Geometrisäkring Oförstörande provning 3

4 Introduktion Kvalitetskontroll vid AM Per-Johan Wahlborg (IVF) och Erik Lindgren (KIMAB) Geometrisäkring Utmaningar: Koordinatmätmaskiner svårt när ytans struktur ~ ej ok/ok avvikelser. Efterbearbetning av ytor => liknande problem som vid subtraktiv tillverkning (hög teknikmognad). Åtkomst, men områden utan åtkomst samma dimensionskrav? Röntgentomografi: svårt med stora/helgjutna komponenter, dock inneboende drive för låg densitet. 4

5 Introduktion Kvalitetskontroll vid AM Oförstörande provning: OFP/NDT - NDE/NDI 5

6 Introduktion Kvalitetskontroll vid AM OFP/NDE: Business as usual => klart, men AM? Utmaningar: Komplexa geometrier, låg generaliserbarhet Digitalt flöde, effektiv och högautomatiserad analys/tolkning Röntgentomografi, behövs hög defektdetekterbarhet/upplösning i hela komponenten? Ytor as-printed är svåra för ET+PT [1,2014] Möjligheter: In-line: dela upp problemet (hantera geometrier, laga bygget) t.ex. [2,2016], [3,2007] Öka generaliserbarheten: simulera (hög teknikmognad) provningen? 6

7 Introduktion Kvalitetskontroll vid AM Maskintillverkarna säljer add-ons, till exempel: EOS (Optisk tomografi) Arcam (LayerQam, xqam) Concept Laser (QM Meltpool 3D) 7

8 Publicerad forskning in-situ Termografi/visuell provning Dominerar publikationerna, se t.ex. review-artikeln [4,2016]. Svårigheter: Emissivitet (kopplar utstrålad energi till kroppens temperatur) beror av mycket (temperatur, våglängd, ytans struktur, view-angle ) Termiskt brus från omgivningen Sputtrad metall (EBM) [5,2013] Högautomatiserad analys (NDE) 8

9 Publicerad forskning in-situ Termografi/visuell provning Några exempel på framsteg: Utanför kammaren, tittar på flera olika indikatorer (termisk diffusivitet, spårar sprut / loppor, max/min temperatur), detekterbara defekter 0.3 mm [6,2015]. Optisk tomografi, detekterbara defekter 0.3 mm, EOS, MTU Aero Engines, Carl Messtechnik [7,2015]. Inte hittat något om POD eller false calls => citerade storlekar ganska ointressant. 9

10 Publicerad forskning in-situ Ultraljud Mottagare/sändare monterad i byggets bottenplattan [8,2015]. Enkel geometri (cylinder), svårt ändå Tveksamt med ökande komplexitet 10

11 Publicerad forskning in-situ Laserultraljud Hittills off-line Bara ytvågen, Inconel, detekterar defekt 0.6 mm / djup 0.2 mm [9,2014]. Inte bara ytvågen, SAFT, Ti64 & Inconel, ovansidan svårt, undersidan porositet ner mot 0.4 mm [10,2016]. Bättre ytfinhet skulle sannolikt underlätta 11

12 Publicerad forskning in-situ Virvelströmsprovning/XRD Virvelströmsprovning Off-line, detekterar defekt 0.4 mm / djup 0.5 mm [9,2014] Patent (Rolls Royce) virvelström och laserultraljud [3,2007]. Restspänningsmätning med röntgen: Off-line men in-situ möjligt? Volumetrisk metod med standard röntgenkälla (320kV) inte synkrotron eller neutroner [11,2016]. Pulverbädd Al, ner mot några mm djup. 12

13 Exempel på pågående forskningsprojekt Sverige Industrinära Projekt(delar) som kopplar mot kvalitetskontroll Viss bias mot projekt som Swerea är med i 13

14 Digitalisering av komplett produktionsflöde - en förutsättning för additiv tillverkning (DINA) Niclas Stenberg och Fredrik Wredenberg (KIMAB) Projektets mål: Framtagning av demonstrator som beskriver nuläget Kartläggning av potentialen samt definiera en roadmap Hela flödet: design till kvalitetskontroll Medlemmar: Swerea, Chalmers, Jernkontoret, GKN Aerospace, Saab och Siemens Delfinansierat av VINNOVA 14

15 Digitalisering av komplett produktionsflöde - en förutsättning för additiv tillverkning (DINA) Niclas Stenberg och Fredrik Wredenberg (KIMAB) Processimulering: 15

16 Digitalisering av komplett produktionsflöde - en förutsättning för additiv tillverkning (DINA) Niclas Stenberg och Fredrik Wredenberg (KIMAB) FAME: Free Additive Manufacturing Enhancer Vidareutvecklas i ett ÅForsk-projekt (Den virtuella 3D-skrivaren) Transparens/öppen källkod 16

17 Digitalisering av komplett produktionsflöde - en förutsättning för additiv tillverkning (DINA) Sten Farre (SWECAST) Tillverka replika av gammalt motorblock: CT-scan > STL(CAD)-fil > 3D-printa sandform > gjut i formen CT-slice till höger, avvikelser omkring 0.1 mm (Fraunhofer EZRT) 17

18 Optimerad produktionsprocess för additiv tillverkning (OPTIPAM) Joakim Ålgårdh (KIMAB) Industrialisering Begränsningar Optimera hela produktionsprocessen: Design till kvalitetskontroll Kvalitetskontroll: post-build CT, ET, UT, Lars Pejryd, Örebro Universitet Medlemmar: Arcam AB, Lasertech LSH AB, Mid Sweden University, SAAB Aeronautics, SAAB Dynamics, Siemens Industrial Turbomachinery AB, SP Technical Research Institute of Sweden (koordinator), Örebroregionen Science Park Delfinansierat av Produktion 2030 (VINNOVA, Formas, Energimyndigheten) 18

19 In-situ kvalitetskontroll med röntgen av 3D-utskrivna metallkomponenter Erik Lindgren (KIMAB) Finansierat av ÅForsk Låg teknikmognad (tillämpningen) Arcam har en elektrostråle => har redan en röntgenkälla i maskinen, de har dessutom nyss lanserat add-on med röntgendetektor (xqam). Det påminner om SEM, men annat kan sannolikt göras också. Inkrementell, ytnära, konceptuellt/simuleringar, vid behov experiment hos BAM (Bundesanstalt für Materialforschung und prüfung). 19

20 Kvalitetskontroll med laserultraljud av 3D-utskrivna komponenter Peter Lundin, Mikael Malmström och Erik Lindgren (KIMAB) Internt projekt (SK) Låg teknikmognad (tillämpningen) Kontaktlöst ultraljud, in-situ Exempel på kanske mätbara egenskaper: mikrostruktur, hårdhet, restspänningar, spricklika defekter, porer 20

21 Kvalitetskontroll med laserultraljud av 3D-utskrivna komponenter Peter Lundin, Mikael Malmström och Erik Lindgren (KIMAB) Tidiga experiment på Inconel 718 (pulverbäddsprover från Per Nylén, Högskolan Väst) Utmaningar: komplexa svåra signaler, ytornas beskaffenhet, antaganden/priors, kopplingen responsvariabel & egenskap ej trivial 21

22 AM standarder Sven Karlsson (IVF) 1 uppsättning av standarder som används worldwide Gemensam roadmap och struktur Utgå från befintliga standarder som anpassas för AM ASTM F42 (start 2009) och ISO TC261 (start 2011) arbetar tillsammans (start 2013) mot ett mål och gemensamma standarder ISO/ASTM 529xx ny serie med gemensamma standarder 22

23 AM standarder Exempel på standarder som hänvisar till befintliga standarder Sven Karlsson (IVF) ASTM F Standard Guide for Characterizing Properties of Metal Powders Used for Additive Manufacturing Processes ASTM F Standard Guide for Evaluating Mechanical Properties of Metal Materials Made via Additive Manufacturing Processes 23

24 AM standarder Additiv tillverkning: SIS/TK 563 (Nyligen utgivna standarder) Sven Karlsson (IVF) SS-ISO/ASTM 52900:2016 Additiv tillverkning Allmänna principer - Terminologi ersatt ASTM F a och ISO ISO :2015 Additive Manufacturing General Principles Part 2: Overview of process categories and feedstock ISO :2014 Additive Manufacturing General Principles Part 3: Main characteristics and corresponding test methods ISO :2014 Additive Manufacturing General Principles Part 4: Overview of data processing ISO/ASTM 52915:2016 Standard specification for additive manufacturing file format (AMF) version

25 AM standarder Additiv tillverkning: SIS/TK 563 (Exempel på standarder under arbete) Sven Karlsson (IVF) ISO/ASTM Standard terminology for additive manufacturing - Coordinate systems and test methodologies ISO/TR N0236 Design of Functionally Graded Additive Manufactured Parts ISO/ASTM DIS Standard Practice - Guide for Design for Additive Manufacturing ISO/ASTM Additive manufacturing - General principles - Requirements for purchased AM parts ISO/ASTM Additive manufacturing - General principles - Standard test artifacts ISO/ASTM Additive manufacturing - General principles - Nondestructive testing of additive manufactured products 25

26 Sammanfattning Konventionell OFP: svårt, komplicerade geometrier, in-situ ett spår In-situ: många aktiviteter kring termografi och visuell provning samt laserultraljud Forskningen fokuserat på in-situ processövervakning snarare än insitu NDE POD/False calls: väldigt lite Låg generaliserbarhet med mycket manuell handpåläggning Röntgentomografi kommer inte att lösa alla problem 26

27 Kontaktpersoner hos Swerea Annika Strondl, Swerea KIMAB Seyed Hosseini, Swerea IVF Anders Gotte, Swerea SWECAST 27

28 28 Vi arbetar på vetenskaplig grund för att skapa industrinytta.

29 Referenser [1] Waller, Parker, Hodges, Burke, Walker, Nondestructive Evaluation of Additive Manufacturing State-of-the-Discipline Report, NASA/TM , [2] Koester, Taheri, Bond, Barnard, Gray, Additive manufacturing metrology: State of the art and needs assessment, Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation 1706 (2016): [3] Clark, Wright, Inventors Method of Producing an Object Including Testing and/or Analysing of Object, EU-patent [4] Everton, Hirsch, Stravroulakis, Leach, Clare, Review of in-situ process monitoring and in-situ metrology for metal additive manufacturing, Materials and Design 95 (2016) [5] Dinwiddie, Dehoff, Lloyd, Lowe, Ulrich, Thermographic In-situ Process monitoring of the Electron Beam Melting Technology used in Additive Manufacturing, SPIE Proceedings, 8705, [6] Krauss, Zeugner, Zaeh, Thermographic process monitoring in powderbed based additive manufacturing, Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation 1650 (2015): [7] Volker, Monitoring system for the quality assessment in additive manufacturing, Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation 1650 (2015): [8] Rieder, Dillhöfer, Spies, Bamberg, Hess, Ultrasonic online monitoring of additive manufacturing processes based on selective laser melting, Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation 1650 (2015): [9] Rudlin, Cerniglia, Scafidi, Schneider, Inspection of Laser Powder Deposited Layers," 11th European Conference on Non- Destructive Testing (ECNDT 2014), October 6-10, [10] Lévesque, Bescond, Lord, Cao, Wanjara, Monchalin, Inspection of additive manufactured parts using laser ultrasonics, Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation 1706 (2016): [11] Whitesell, McKenna, Wendt, Gray, Volumetric Measurement of Residual Stress using High Energy X-ray Diffraction, Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation 1706 (2016):

30 Appendix 30

31 AM standarder Sven Karlsson (IVF) Source: Klas Boivie, Sandvik AM standards are crucial if we want to realize the fantastic future vision of metal AM J Slotwinski, NIST, chair of F SK-medel redovisning

32 32 SK-medel redovisning