Material & Egenskaper Vilka material finns, och hur bra är de? Joakim Karlsson SP Sveriges Tekniska Forskningsinstitut Uppsala Universitet Joakim.karlsson@sp.se 3DP-Dental 2014-05-14
Vem är Joakim? Civilingenjör Chalmers Master i materialteknik Exjobb 2010 Oak Ridge National Laboratory Oak Ridge, Tennessee, USA Arcam & ORNL Internship Arcam AB Materialutveckling Doktorandprojekt 2010 SP & Uppsala Universitet Arcam AB, Dentware AB Forskarutbyte 6 månader North Carolina State University
VI SKAPAR VÄRDE I SAMVERKAN
OM SP SP-koncernen ägs till 100% RISE Dotterbolag 10 Anställda 1300 Omsättning 1 335 MSEK Kunder Fler än 10 000
TEKNIKOMRÅDEN Aktiv Säkerhet Brandteknik Betong och Sten Elektronik Certifiering Energiteknik Glas Kalibrering och Verifiering Kemi, Material och Ytor Mätteknik Livsmedel och Bioteknik Bygg och Mekanik Trä Maskinprovning och Besiktning Processutveckling Bioekonomi Jordbruk och Miljö
Example of a success story: TiUnite Background (1997) : - machined titanium surface - relatively smooth Sa ~0.6 µm - thin native oxide, <10 nm, TiO2 - long term clinical success rate >90% Improvement potential: - faster osseointegration - osseointegration in compromized bone Research at GU/Chalmers and others: - surface roughness important - thicker oxides potentially beneficial - porosity potentially beneficial Proposed project: - rougher surface - thicker, porous oxide - anodic oxidation
Market launch (2000)
Materialexempel Organiska material Keramiska material Polymera material Metalliska material Vaxer Alumina ABS Aluminium Vävnad/Celler Zirconia Polyamid (Nylon) Verktygsstål Mat Kiselkarbid PEEK Titanium Sillica /sand) Härdplaser (Thermoset) Inconel Grafit PMMA Koboltkrom Gips Polykarbonat Koppas ULTEM Rostfritt stål Kompositer Ädelmetaller (Guld/platina)
Så fungerar EBM http://youtu.be/m_qsnjkn7f8
Titan (Ti6Al4V)
[%] [Mpa] Titan Mekaniska egenskaper - EBM 1050 1000 950 900 850 800 750 Brottgräns [Mpa] Smitt* Gjutet* EBM Mikrostruktur Smidd * Enligt ASTM F108/F1472 16 14 12 10 8 6 4 2 0 Töjning [%] Smitt* Gjutet* EBM EBM
Exempel på delamineringar och håligheter Inre hålrum Otillräcklig smältning Fångad Argon Yttre delaminering Otillräcklig smältning Slår sig Initieringspunkter för brott n th Layer 2 nd Layer 1 st Layer
Strain [%] Strain [%] Strain [%] Digital Image Correlation Lokala Töjningsfält Kommer brottet vara beroende av lager-på-lager tekniken? Hur fungerar DIC? Två kameror i vinkel (3D-vy) Analyserar ändringar i facettposition Begränsad upplösning Sample 1 Sample 3 Sample 2
Titan - Ytstruktur - EBM 25-45 μm 45-105μm
Så fungerar Selective Laser Melting/Sintering Liknande metod för både plast och metall Smältning eller sintring För metall: Långsammare än EBM
[%] [Mpa] Titan Mekaniska egenskaper - SLM 1200 1000 Brottgräns [Mpa] 800 600 400 200 0 Smitt* Gjutet* SLM (XY)** SLM (Z) ** * Enligt ASTM F108/F1472 ** Värmebehandlad 16 14 12 10 8 6 4 2 0 Töjning [%] Smitt* Gjutet* SLM (XY)** SLM (Z) **
[%] [Mpa] Materialegenskaper titan EBM/SLM 1200 1000 800 600 400 200 0 Brottgräns [Mpa] Smitt* EBM SLM (Z) ** * Enligt ASTM F108/F1472 ** Värmebehandlad 16 14 12 10 8 6 4 2 0 Töjning [%] Smitt* EBM SLM (Z) ** Rafi, H.K., Karthik, N.V., Gong, H., Starr, T.L., Stucker, B.E., Microstructures and mechanical properties of Ti6Al4V parts fabricated by selective laser melting and electron beam melting, Journal of Materials Engineering and Performance, Volume 22, Issue 12, December 2013, Pages 3872-3883
Kobolt-Krom
[%] [MPa] Kobolt-krom Mekaniska egenskaper - EBM 1200 1000 800 Brottgräns [Mpa] Smidd ASTM F75 600 400 200 0 Smitt* EBM * Enligt ASTM F75 25 Töjning [%] EBM 20 15 10 5 0 Smitt* EBM
[Mpa] [Mpa] [%] Kobolt-krom Mekaniska egenskaper - SLM Brottgräns [Mpa] Töjning [%] 1200 25 1000 20 800 600 400 15 10 200 5 0 Smitt* SLM (XY)** SLM (Z) ** 0 Smitt* SLM (XY)** SLM (Z) ** 1200 Jämförelse Brottgräns [Mpa] 1000 800 600 400 200 0 Smitt* EBM SLM (Z) **
Unika nätverksstrukturer
Mekaniska egenskaper - Nätverksstrukturer Möjlighet att styra porositet Möjlighet att styra lokala mekaniska egenskaper Möjlighet att öka adhesionen (ben/porslin) Minskad vikt
Keramer (Zirconia) Premix (Photo inhibitor) Ceramic powder Ceramic powder Milling (slurry) AM Drying Sintering Binder AM Sintering Laser AM Ceramic Part Bibehållna mekaniska egenskaper (ej SLM) Designfrihet ingen gjutform Besparingar ingen gjutform
Polymerer - Materialegenskaper Tekniker Fused Deposition Modeling (FDM) Inkjet Stereolitografi Digital Light Processing (DLP) Etc Material ABS Nylon Dentalmaterial Etc.
Exempeldelar FDM/Inkjet
ABS materialegenskaper FDM/Inkjet Property ABSi ABS-M30 Digital ABS ABS-General Tensile strength 37 36 58 40 60 MPa Elongation 3,1 4 25 22-26 % Flexural strength 61 61 65 68 MPa Källa: Stratasys.com; teststandard.com; Gibson et. al., Additive Manufacturing technologies Rapid prototyping to direct digital manufacturing, Springer, 2010 Tensile strength specimens with various raster Källa: Ahn et. Al, Anisotropic material properties of fused deposition modeling ABS, Rapid Prototyping Journal, Vol 8, Issue 4, 2002
Exempeldelar - SLA
SLA materialegenskaper Källa: materialise.com
DLP (E-Dent-M) Mekaniska egenskaper Brottgräns = 30 MPa
Materialutveckling - NiTiNol
Framtida utveckling Composits Bioprinting Food printing Large scale printing
[Mpa] Summering materialegenskaper Ytstruktur behöver modifieras likt fräsning Polering Mekaniska egenskaper utmärkta Lika eller bättre än traditionella metoder Större frihet 1200 1000 800 600 400 200 0 Brottgräns [Mpa] Smitt* EBM SLM (Z) ** Designa egenskaperna
Tack! Joakim Karlsson Joakim.karlsson@sp.se 010-516 59 03