TECNOLOGIA PARA MANUFACTURA ADITIVA · Beneficios del tratamiento térmico en el HIP ... bajo...

I I6/19/2017Confidential 1

TECNOLOGIA PARA MANUFACTURA ADITIVA - Prensado Isostático en caliente

Presentado por:Bob BraswellPresidente+1-615-715-1699+521-442-592-3459 Cel

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Que es el Prensado Isostático en Caliente?El prensado isostático en caliente (HIP) es un proceso de fabricación utilizado para eliminar la porosidad interna de piezas fundidas y permite la densificación de los polvos de metal, polímeros, cerámicos y compuestos en estado sólido

para proporcionar materiales completamente densos.

Es un método en donde se aplica una presión, mas alto que la resistencia al punto cedente del material, a la temperatura del HIP. En otras palabras,

calientas el material hasta un 75-85% de la temperatura en donde el material se derrite, y al vez aplicas una muy alta presión.

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Principios de Prensas Isostáticas

• Presión Isostático– La misma presión actuando sobre todos los

superficies de los componentes.

• El proceso de densificación es una combinación de,– Deformación Plástico– Fluencia– Unión por Difusión

• Presiones Típicas 15000 – 30000 psi• Temperaturas Típicas 1800oF – 3600oF• Gas usado - Argón

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Definiendo que es el proceso de HIPPrensado isostático en caliente (HIP) es una forma de tratamiento térmico que utiliza alta presión para eliminar los poros y defectos a fin de mejorar las propiedades del material

… son soldados juntos para crear un espacio en el medio así representando un poro enorme.

Dos cilindros de acero, taladrados en cada extremo,

El cilindro pasa por el proceso de HIP y al cortarlo por el medio, el resultado es …el poro desapareció!


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Los usos mas comunes del HIP hoy en día

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Fundido / MIM / Impresión 3D HIP

Porosidad eliminada

Pulvimetalurgia - NNS Producto NNS

Prensado Isostático en Caliente

Confidential

Materiales con poros

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Ventajas del HIP• 100% densidad teórica

• Propiedades superiores del material• Fatiga, desgaste, abrasión, ductilidad y alargamiento• Liberación de tensión de las piezas MIM

• Reducción en la dispersión de las propiedades del material• Mayor vida útil• Vida útil predictiva• Diseños mas livianos

• Reducción en la perdida de scrap


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Impulso para el uso de HIP


• Bajo Peso– El bajo peso es un requisito en casi todas las industrias

hoy en día. Es mas importante en el sector de transporte

• Bajo Costo– Soluciones eficaces en costo con las mas altas

propiedades mecánicas

• Minimización en los tiempos de entrega– Con tiempos de ciclo minimizados, pueden incrementar

su competitividad y flujo financiero

• Alta calidad en el producto– Un requisito para todas las industrias

HIP hace que todo lo de arriba sea posible!

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Mercados principales para HIP


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Mercados principales para uso HIP


Aeroespacial Energía (incl. IGT) AutomotrizImplantes Médicos Industria General (Incl. I&D)

• Fundición (Inv.)• PM HIP

• Fundición (Inv.)• PM HIP

• Fundición (Inv.) • Fundición• MIM

• Fundición (Inv.)• MIM• Cerámica

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Componentes de motores aeronáuticas hecho con HIP

Compresor/Ventilador (Frio)• Caja de cambios• Aspes del compresor• Cubierta que lleva carga• Titanio 6-4 / Base Ni

Turbinas Alta Presión (Caliente)• Aspes de turbina enfriados por aire• Material del disco de la Turbina• Superaleación a base Ni

Contribución HIP• Tratamiento Térmico a Alta Presión• Permite diseños de bajo peso.• Permite el desarrollo de piezas metálicas

hecho por MA para aeroespacial

Cambio de Material para reducir el peso.

Fundicion

Todos estos métodos necesitan HIP para obtener las propiedades del material

Forja

Metal MA


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Implantes Médicos Típicos hecho con HIP

Rodilla• Cobolt chrome• Titanio

Cadera• Cobolt chrome• Titanio• Acero Inoxidable

Columna• Titanio• Silicon nitride

Hombro• Cobolt chrome• Titanio

Dental• Titanio• Cerámica

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Contribución HIP• Tratamiento Térmico a alta

presión• Acabado del superficie

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Componentes del sector de energía hechos con HIP


• Engranes• Caja de cambios

• Turbinas de gas• Turbinas de vapor• Cajas de las bombas• Manifold

• Pulverización Catódica Centrado

• Tubería principal• Válvulas• Cajas de las bombas• boquillas

VientoTermal Solar Nuclear

Contribución HIP• Tratamiento Térmico a alta presión• Soluciones sin soldadura para P/M NNS• Mejores tiempo de entrega vs. forjas

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Componentes típicos de un motor hecho con HIP


Bloque del motor

Cabezal de cilindros

Turbo (URQ)

Contribución HIP• Mejora en la vida útil• Diseño a bajo peso aumento en el desempeño• Reducción en el scrap

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Ejemplos para uso automotriz


Images courtesy of ORNL

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Nuevos ejemplos para uso automotriz


Images courtesy of Divergent Microfactories

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Proceso de alta presión con alta temperatura.- El facilitador para la Manufactura Aditivo



Video cortesía de Quintus

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Porque la MA requiere HIP• Propiedades mecánicas y acabado del superficie

• Control en el proceso

• De prototipo a producción

• Controlando la cadena de producción completa es tan importante como el proceso de 3D.

• HIP es una parte natural para la cadena de producción MA


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Procesos convencionales después de producir piezas por MA


Procesos Convencionales• Alivio de stress (tensión) para remover la pieza de su placa

o para aliviar el stress interno• HIP• Tratamiento Térmico por para las propiedades del material• Envejecimiento para afinar los propiedades del material.

De externo a interno por hecho de:• Mas control sobre el proceso• Mejorar tiempos de ciclo• Bajar costos

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Proceso de tratamiento térmico a alta presión- El facilitador para MA

• El proceso de tratamiento térmico a alta presión• es una combinación de HIP y tratamiento térmico.• permite enfriamiento directamente en el HIP.• se encarga de todos los procesos de tratamiento térmico después

del procesos MA.

• El proceso de tratamiento térmico a alta presión ofrece:• ahorros en los plazos de entrega de semanas a horas.• aumento en el control de proceso y la calidad.• mejoramiento en las propiedades del material.

• El proceso de tratamiento térmico a alta presión es un éxito• en el control micro estructural de Titanio Aluminados.• para un mayor resistencia a tracción para Ti 64 hecho por MA. • en logrando una distribución homogéneo de γ’ para Ni-basado SA.


Proceso convencional después de MA

Tratamiento térmico a alta presión

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Beneficios del tratamiento térmico en el HIP


• La alta presión permanece durante el enfriamiento• Menor transformación de fase cinética en el sistema Fe-C• Demora la transformación perlita menor tasa de enfriamiento

requerido• Incremento en la templabilidad

• Alto densidad del gas:• Alta transferencia de calor entre el gas y el superficie del componente,

α > 1000 W/m2°K • Enfriamiento continuo con una distribución controlable de temperatura• Baja gradientes térmicas Baja tensión térmica Bajo riesgo de

fracturas o distorsión

Tensión térmica baño de sal (60s)

Tensión térmica URQ (60s)158MPa

50MPa

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El HIP puede aumentar la productividad de MA


• Arcam hizo un estudio en donde aumentaron el Offset de la línea de 0.20mm a 0.40mm:

• → menos grado de refundición• → menos evaporación de aluminio• → microestructura mas fino• → Mayor resistencia a tracción !

• Lo importante en este estudio fue que aunque se aumento el offset → la impresión fue mas rápida → incremento la porosidad, PERO había mayor resistencia a tracción por hecho de que menos calor es aplicado al material creando una microestructura mas fina.

Courtesy of Arcam, presented at EBAM 2016, Nuremberg


Resistencia

Yield Strength

0.2%

Offs

et Y

ield

0

5

10

15

20

25

30

As-Cast HIP

Tensile StrengthUT

S

0

5

10

15

20

As-Cast HIP

Resistencia a tracción y limite elástico antes y después de HIP para superaleaciones típicos a base de Ni.

La dispersión se reduce de un 3 a 4 veces


DuctilidadDuctilidad antes y después de HIP, para súper aleaciones típicas a base níquel

Reduction in Area

% R

A

0

5

10

15

20

25

30

35

As-Cast HIP

Tensile Ductility%

Elo

ngat

ion

0

5

10

15

20

25

As-Cast HIP


FatigaVida útil antes y después de HIP, para aleaciones T6 Aluminio

Vida útil incrementa de10 a 100 veces

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Partes MA y HIP


• Es posible imprimir un piel/capsula a prueba de gas de una pieza que contiene en su interior un material menos denso

• Densificado por HIP a 100%• Reducción en el tiempo de impresión

Cilindro a prueba de gas

Polvo adentro

Ejemplo de una capsula hecho por MA y HIP

EBM 316L

Results from Vinnova project UDI

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Consideraciones para un sistema compacta


• Los sistemas son diseñadas para mercados como MA metálica, MIM, fundición y Desarrollo e Investigación.

• Los sistemas llegan como ”plug y play” listos para trabajar..• Los sistemas son portátil para su movimiento fácil.• Un sistema compacta puede manejar la producción de 5 a 20 impresoras metálicas

MA.

Tiempo Ciclo:~ 3.5hrs + hold timeCarga/ciclo: 55 librasTamaño Ø= Ø=7.32”, H=19.69” Costo / ciclo*: 87 USDIncluyendo el tratamiento térmico* Incluye: Consumo de gas y energía, personal, refacciones y desgaste

Costo operativo

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Ejemplo de uso Input• Industria: Aeroespacial• Producto: Turbina• Material: Superaleación base Ni


QIH15L QIH32 QIH48Capacidad anual (No de cuchillas) 31 000 157 000 376 000

Costo operativo / turbina (USD)

- Costo mano de obra 2.3 USD 0.6 USD 0.3 USD

- Costo servicios (Elec., agua, etc.) 0.4 USD 0.1 USD 0.1 USD

- Costo mantenimiento 1.3 USD 0.3 USD 0.1 USD

Costo operativo por aspa 4.0 USD 1.0 USD 0.5 USDCosto por aspa servicio exterior = 36 USD/aspa = 11 USD/aspa = 7 USD/aspa

5.1cm

10.2cm

Sistema Compacta para volúmenes alto de producción

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Diseño del recipiente de presión


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Tipos de contenedores de presión


• Recipiente Pre-tensionado• Siempre hay presiones compresivos sobre los

superficies interiores• Todas las fuerzas de tensión son compensado

por los cables

• Paredes gruesas diseñadas para aguantar la presión

• Las presiones de tensión son sobre el superficie interior

Embobinado con cables de acero Mono block

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Ventajas de recipientes embobinados con hilos• Los recipientes de presión son diseñados con paredes delgados,

bajo compresión por medio de hilos de acero de alta resistencia la cual permite al recipiente mantener la extrema presión.

• Por medio de un enfriamiento de agua controlado, las paredes, por ser delgados, actúan como un intercambiador térmico.

• Enfriamiento controlado de 500°C/min.

• Aislamiento superior minimiza la perdida de potencia, asi reduciendo los costos de operación.


Cilindro

Hilos

Horno

EnfriamientoCon agua

Los recipientes envueltos con hilo proveen un enfriamiento bajo presión inigualable!

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El horno• Los hornos son hecho de Grafito o Molibdeno

• Zonas múltiples de calentamiento para una distribución excelente de la temperatura tanto en su estado de trabajo como en la de enfriamiento

• Temperatura cascada para asegurar precisión en la temperatura.

• Un aislamiento superior para minimizar la perdida de potencia

• Los hornos son equipados con Enfriamiento Rápido Uniforme (URC)


Base del Horno Horno Molibdeno

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El Proceso actual de HIP


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El proceso ….


Video cortesía de Quintus

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Ejemplos de diferentes tamaños de prensas


Sistemas Compactas:• Zona de calentamiento

• Ø = 80mm 385mm• H = 160mm 1120mm

• Temperatura hasta 2000°C• Presión hasta 2070bar• Peso máximo 10-600kg

Sistemas Medianos:• Zona de calentamiento

• Ø = 450mm 1050mm• H = 1300m 2500mm

• Temperatura hasta 2000°C• Presión hasta 2070bar• Peso máximo 1000-10,000kg

Sistemas grandes:• Zona de calentamiento

• Ø = 1200mm 3000mm• H = 2500m 5000mm

• Temperaturas hasta 1000°C - 1400°C• Presión hasta2070bar• Peso máximo >15,000kg

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Conclusión


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Observaciones finales• El prensado Isostático en caliente logra:

• 100% densidad teórica• Propiedades superiores en el material

• Mejor vida útil• Fatiga, desgaste, abrasión, y ductilidad

• Reducción en la dispersión de los propiedades del material• Vida útil predictivo• Diseños mas livianos

• HIP es el perfecto complemento para la industria MA• Se puede lograr el HIP sin la capsula• Las tensiones residuales son aliviados\

• Con tecnologías modernas de HIP, el proceso de tratamiento térmico se puede cumplir con el mismo sistema

• Tratamiento térmico a alta presión


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