Výzkum a vývoj AM na VUT FSI Brno · 2017-12-04 · CAD - CATIA V5 optimalizace MSC.Nastran ....

KAV, VUT FSI, 16.6.2017

Výzkum a vývoj AM na VUT FSI Brno

Radek Vrána Ústav konstruování Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně NETME Centre

2/32

Obsah

FSI VUT v Brně Činnost skupiny aditivních technologií Vývoj parametrů pro zpracování materiálů Na čem pracujeme Případová studie Speciální komponenty

Panelová diskuze na téma 3D tisk v leteckém průmyslu 29.11.2017 ČVUT Praha

3/32

FSI VUT v Brně

NETME Centre Fakulta strojního inženýrství Vysoké učení technické v Brně Technická 2896/2 616 69 Brno Czech Republic Výzkumná skupina aditivních technologií Akademičtí pracovníci: 3 PhD studenti: 6 Spolupracující instituce: 4 Hlavní partner: Ústav materiálových věd a inženýrství


4/32

FSI VUT v Brně


Quality control Robotic machining Rapid prototyping in prosthetics

Additive manufacturing of metal parts

Mechanical and industrial design 3D optical digitalization

5/32

Zkušenosti s 3D tiskem kovů

5 let zkušeností v 3D tiskem kovů Vyrobeno více jak 220 průmyslových dílů Více jak 1500 testovacích vzorků Kooperace s více jak 15 průmyslovými podniky 4 výzkumné projekty v oblasti 3D tisku

– TAČR, MPO, GAČR, ESA Předmět v magisterském programu Klastr aditivní výroby Aditivní technologie ve FabLabu


6/32

Výrobní zařízení

SLM Solutions (Germany) 400W laser Otevřený systém

Materiály: AlSi10Mg, AlSi12 AlSi9Cu, AlSi7Mg CuNiCr Scalmalloy TiAl6V Pure Fe, 316L Maraging steel


7/32

Srovnání zpracovaných slitin hliníku technologií SLM citim.de; apworks.de

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200Ta

žnos

t A [%

]

Smluvní mez kluzu Rp0,2 [MPa]

Scalmalloy®

TiAl6V4

7075

AlSi7Mg

AlSi9Cu3

AlSi12CuNi

AlSi10Mg

Materiály

Scalmalloy Hustota 2,67g/cm3

Korozní odolnost Strukturní stálost až do 250°C

Bionický rám elektro motocyklu vytištěný ze Scalmalloy®

www.apworks.de

0

50

100

150

200

250

300

350

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Stre

ss [M

Pa]

Strain [%]


8/32

The structure of SLM cube

Materiály

AlSi9Cu3 – vliv distribuce velikosti částic Analýza rozdílných dodavatelů prášků Rozdílná porozita a mechanické vlastnosti

The structure of LPW cube

Rm = 489 MPa Re0.5 = 256 MPa

Rm = 455 MPa Re0.5 = 228 MPa

SLM LPW


9/32

Materiály

CuNiCr – 90%Cu Přenos tepla Nízká porozita Dobré mechanické vlastnosti po tisku Re = 380MPa Souč. tepelné vodivosti λref=156W/mK


Titan Ti6Al4V Argon Vojenský a zbrojařský průmysl Komponenty pro ruční zbraně Bioaplikace

10/32

Na čem pracujeme

Čisté Fe 99,9% Atomizace vodou (Rio Tinto, QMP) Nízká porozita Dobré mechanické vlastnosti po tisku Relativně vysoká skenovací rychlost Re = 415MPa


11/32

Na čem pracujeme

Čisté Fe 99,9% Magneto-reologické aplikace Magnetická indukce Transientní magnetická indukce Remanence


12/32

Na čem pracujeme

Multimateriály Čisté Fe a Cu-slitina Nové fyzikální vlastnosti Vedení tepla Vnitřní tlumení


Slitiny Mg Bioaplikace Automobilový průmysl Letecký průmysl

13/32

Materiály – Nevhodné pro SLM

2618 – slitina AlCu(2.7%) Re až 370MPa referenční materiál Solidifikační trhliny Různé strategie tisku Nevhodné pro SLM

Lomové plochy a) tvářený materiál b) SLM materiál

6061– slitina AlMg(1.2%)Si(0.8%) Referenční materiál Re až 455MPa SLM materiál - trhliny Nevhodné pro SLM

7075 - řada 7000 – slitina AlZn(6%) Referenčmí materiál Reaž 462 MPa SLM materiál - trhliny Nevhodné pro SLM 269 objemových vzorků bez výsledku


14/32

Materiály – Nevhodné pro SLM

2618 – slitina AlCu(2.7%) Referenčmí materiál Reaž 370 MPa Solidifikační trhliny Různé strategie tisku Nevhodné pro SLM

6061– slitina AlMg(1.2%)Si(0.8%) Referenčmí materiál Reaž 455 MPa SLM materiál - trhliny Nevhodné pro SLM

7075 - řada 7000 – slitina AlZn(6%) Referenčmí materiál Reaž 462 MPa SLM materiál - trhliny Nevhodné pro SLM 269 objemových vzorků bez výsledku


15/32

Optimalizace těhlice Formule Student pro výrobu SLM technologií


16/32

Případová studie – Těhlice pro TU Brno Racing


17/32

Motivace - Těhlice pro TU Brno Racing

Využití topologické optimalizace v AM Ověření možností výroby pomocí SLM

na komplexní součásti Zlepšení ovladatelnosti formule Inspirace v aplikacích pro vesmír


18/32

Výchozí stav

Frézovaná těhlice Stanovení kontrolních zátěžných stavů Ověřená koncepce na monopostech

Dragon 1 - 6

FEJFAR, M. Konstrukce zavěšení předního kola závodního vozidla, 2014.

𝐹𝐹Bf

𝐹𝐹B𝑟𝑟

𝐹𝐹Lt

𝐹𝐹Gf 𝐹𝐹Gr

𝐺𝐺→


19/32

Výchozí stav

Frézovaná těhlice Stanovení kontrolních zátěžných stavů Ověřená koncepce na monopostech

Dragon 1 - 6

𝐹𝐹Gf 𝐹𝐹Gr

𝐺𝐺→

𝐹𝐹Cf

𝐹𝐹C𝑟𝑟

FEJFAR, M. Konstrukce zavěšení předního kola závodního vozidla, 2014.


20/32

Odladění metodiky

Návrh zkušebního dílu pro Dragon 5 – 2 verze, (2 iterace, 5 iterací) – 3 měsíce Návrh dílu pro Dragon 7 – 3 verze (2 iterace, 3 iterace, 3 iterace) – 1,5 měsíce Návrh finálního dílu – 5 iterací – 1,5 týdne Doladění finálního dílu do stavu vhodného pro výrobu – 2 týdny


21/32

Výroba těhlice – SLM proces

Délka stavby: 16 h Výška vrstvy: 50 µm Strategie: Chessboard Objem dílu: 208,860 cm3 Objem podpor: 93,810 cm3 Celková výška stavby: 80,2 mm


22/32

Výroba těhlice – post-procesing, inspekce


23/32

Materiál: EN AW 7075 T6 (Rp0,2 = 500 MPa)

Hmotnost: 485 g

Maximální deformace: 0,5 mm

7 let ladění postupu navrhování

Materiál SLM: AlSi10Mg (Rp0,2 = 240 MPa)

Hmotnost: 485 g

Maximální deformace: 0,6 mm

Prototyp

Porovnání frézované a optimalizované těhlice

24/32

ESA – konference TEDx

Tommaso Ghidini, Ph. D. Head of the Structures, Mechanisms and Materials Division at the European Space Agency (ESA)


25/32

Satelite Bracket – Optimalizace strukturovaného mat.

Manufacturing of bracket Navrženo v r. 2015 Vnitřní prutová konstrukce Materiál AlSi10Mg Výrobní čas 57h Počet vrstev 5322 Tloušťka vrstvy 0.05 mm Výška 266.1 mm Hmotnost držáku 377,2 g


26/32

Satelite Bracket – Hybrid Design se strukturovaným mat.

Manufacturing of bracket Navrženo v r. 2017 Vnitřní prutová konstrukce Materiál AlSi10Mg Výrobní čas 20h Počet vrstev 5242 Tloušťka vrstvy 0.05 mm Výška 264.4 mm Hmotnost držáku 285.0 g Minimum podpůrného materiálu


27/32

Závěs kuchyňky pro připojení k letadlu

CAD - CATIA V5 optimalizace MSC.Nastran

Závěs (Zodiac)

Usable space


28/32

Kitchen hinge for connection to the primary

Material AlSi10Mg Mnf. time 20 hours Layer thickness 0.05 mm Weight of hinge 629g

Hinge (Zodiac)


29/32

Kurz 3D tisku kovových materiálů

Magisterský studijní program Výuka SLM Topologická optimalizace Semestrální projekt Destruktivní testování Optická digitalizace

m [g] mr [g] Predikce [N] Real Zatížení

[N] Pořadí

[-] Max. Stress

[MPa]

1 9,6 9,3 165 288 3 269 2 8,9 11,6 140 160-180 2 300 3 7,15 6,9 38-48 6 244 4 10 16 160 410 4 320 5 6,8 6,9 165 150-160 1 350 6 14 16,7 160 425 5 350


30/32

StrojLAB FabLab = Fabrication Laboratory nástroje pro digitální výrobu prostor pro kreativní tvůrčí

činnost podpora projektové výuky Ne-frontální způsob výuky první univerzitní FabLab v ČR

StrojLAB - 1. univerzitní fablab v ČR


31/32

Main partners – additive manufacturing only


32/32

Publications

1. DAVID PALOUSEK, LIBOR PANTELEJEV, TOMAS ZIKMUND, DANIEL KOUTNY. Processing of nearly pure iron using 400w selective laser melting – initial study. MM Science Journal, 2017, vol. 2017, no. 1, p. 1738-1743. ISSN: 1803-1269.

2. ZATOČILOVÁ, A.; ZIKMUND, T.; KAISER, J.; PALOUŠEK, D.; KOUTNÝ, D. Measurement of the porosity of additive-manufactured Al-Cu alloy using x- ray computed tomography. Solid State Phenomena, 2016, vol. 258, no. December 2016, p. 448-451. ISSN: 1662-9779.

3. VRÁNA, R.; KOUTNÝ, D.; PALOUŠEK, D. Impact Resistance of Different Types of Lattice Structures manufactured by SLM. MM Science Journal, 2016, vol. 2016, no. 6, p. 1579-1585. ISSN: 1803-1269.

4. KOUTNÝ, D.; PANTĚLEJEV, L.; TOMEŠ, J.; PALOUŠEK, D. COMPARISON OF SELECTIVE LASER MELTING OF 18NI MARAGING STEEL BY PXL AND M2 CUSING. MM Science Journal, 2016, vol. 2016, no. 6, p. 1590-1596. ISSN: 1803-1269.

5. Vrána, R.; Koutný, D.; Paloušek, D.; Zikmund, T. Impact Resistance of Lattice Structure made by Selective Laser Melting from AlSi12 alloy. MM Science Journal. 2015.

6. Tesařová, M., Zikmund, T., Kaucká, M., Adameyko, I., Jaroš, J., Paloušek, D., Škaroupka, D. and J. Kaiser. Use of micro computed-tomography and 3D printing for reverse engineering of mouse embryo nasal capsule. Journal of Instrumentation, 2016, 11(03), C03006.

7. Palousek, D., Omasta, M., Koutny, D., Bednar, J., Koutecky, T. and Dokoupil, F. (2015) 'Effect of matte coating on 3D optical measurement accuracy', Optical Materials, 40(0), 1-9.

8. Palousek, D., Rosicky, J. and Koutny, D. (2014a). Use of digital technologies for nasal prosthesis manufacturing, Prosthetics and Orthotics International, 38(2), 171-175.

9. VLAŠIC, F.; KRATOCHVÍLOVÁ, V.; MAZAL, P.; PALOUŠEK, D.; KOUTNÝ, D. Fatigue Damage of Aluminium Alloy EN AW 2618A Produced by SLM Technology. In World PM2016 Proceedings. 2016. European Powder Metallurgy Associtation, 2016. p. 1-6. ISBN: 978-1-899072-48- 4.

10. VRÁNA, R.; KOUTNÝ, D.; PALOUŠEK, D.; ZIKMUND, T. Influence of Selective Laser Melting Process Parameters on Impact Resistance of Lattice Structure made from AlSi10Mg. In World PM2016 Proceedings. Hamburg, Germany: 2016. p. 1-6. ISBN: 978-1-899072-48- 4.

11. Koukal, O.; Koutný, D.; Paloušek, D.; Vrána, R.; Zikmund, T.; Pantělejev, L. Research about the Influence of Process Parameters of Selective Laser Melting on Material EN AW 2618. In Euro PM2015 Proceedings. Reims, France. 2015. p. 1 - 6. ISBN 978-1-899072-47-7.

12. Vrána, R.; Paloušek, D.; Koutný, D.; Koukal, O.; Zikmund, T.; Krejčí, P. Impact resistance of lattice structure made by Selective Laser Melting technology. In Euro PM2015 Proceedings. Reims, France. 2015. p. 1 - 6. ISBN 978-1-899072-47-7.

13. D. Koutny, D. Palousek, O. Koukal, et al., “Processing of High Strength Al-Cu alloy Using 400W Selective Laser Melting – Initial Study,” in Lasers Manuf. Conf. 2015, (Munchen, Germany, 2015)


Radek Vrána, David Paloušek www.3Dlaboratory.cz

Děkuji Vám za pozornost

Výzkum a vývoj AM na VUT FSI Brno · 2017-12-04 · CAD - CATIA V5 optimalizace MSC.Nastran ....

Documents

Transcript of Výzkum a vývoj AM na VUT FSI Brno · 2017-12-04 · CAD - CATIA V5 optimalizace MSC.Nastran ....