Cold-Welding of Aluminium in EOS M 400 Metal 3D Printer

Abstract

Aluminium is used in additive manufacturing (AM) to produce lightweight high-performance components, especially for automotive and aerospace industries. The EOS M 400 3D printer for metal solutions is used for industrial serial production of large metal parts. The printer operates by using powder bed fusion (PBF) technique, where a laser beam fuses a thin layer of metal powder layer-by-layer into the wanted structural dimensions. Aluminium is softer than the steel parts of the powder dispenser system of the printer and its adhesion to the parts is therefore subject for research. The adhesion event is expected to be some form of cold-welding, which is a process that joins similar metals using high pressure without melting the materials. The friction caused by the mechanical work done by a rotary powder feeder in the dispenser system has been observed to adhere some aluminium alloys on the surrounding scraper plates. To investigate the possibility of the adhesion of aluminium on the scraper plates and how it might interfere with the functions of the dispenser, an experimental study was devised. During the experiment, altogether approximately 610 kg aluminium powder was passed through the rotary feeder assembly, and the scraper plates were weighed and thickness measured to determine the amount of adhered aluminium compared to the amount of powder passed through. Adhesion of aluminium on the scraper plates was visually detected after the experiment. However, the amount of adhered aluminium was small and not reliably observed by the measurements. Due to the limited results of this research project, no definitive conclusions could be made about how much the cold-welded aluminium affects the dispenser system of the EOS M 400 3D printer. Nonetheless, the results are consistent with the hypothesis. The adhesion of aluminium on to the scraper plates is expected to be some form cold-welding.

Alumiinia käytetään lisäävässä valmistuksessa (AM) erityisesti auto- ja ilmailuteollisuudessa kevyiden ja kestävien osien valmistukseen. EOS M 400 3D -metallitulostinta käytetään suurten metalliosien teolliseen sarjatuotantoon. Tulostin käyttää jauhepetifuusiotekniikkaa (PBF), jossa lasersäde sulattaa ohuen metallijauhekerroksen kerros kerrokselta haluttuun rakenteelliseen muotoon. Alumiini on pehmeämpää kuin tulostimen jauheenannostelijan teräsosat, jonka vuoksi sen kiinnittyminen laitteen osiin on tutkimuksen kohteena. Kiinnittymisen odotetaan olevan jonkinlaista kylmähitsausta, joka yhdistää samanlaisia metalleja korkeassa paineessa sulattamatta kuitenkaan materiaaleja. Annostelujärjestelmän pyörivän jauheensyöttölaitteen tekemän mekaanisen työn aiheuttaman kitkan on havaittu kiinnittävän joitakin alumiiniseoksia laitetta ympäröiviin haittalevyihin. Kokeellinen tutkimus suunniteltiin alumiinin tarttumista haittalevyihin ja sen mahdollisten aiheuttamien laitehäiriöiden analysoimiseksi. Kokeen aikana pyörivän syöttölaitteen läpi ohjattiin yhteensä noin 610 kg alumiinijauhetta. Haittalevyt punnittiin ja niiden paksuudet mitattiin, jotta voitiin määrittää hitsaantuneen alumiinin määrä verrattuna läpi kulkeneen jauheen määrään. Alumiinin tarttuminen haittalevyihin oli selvästi nähtävissä kokeen jälkeen. Tarttuneen alumiinin määrä oli kuitenkin niin pieni, ettei sitä voitu luotettavasti havaita mittauksissa. Tutkimusprojektin rajallisten tulosten vuoksi ei voitu tehdä lopullisia johtopäätöksiä siitä, kuinka paljon kylmähitsaantunut alumiini vaikuttaa EOS M 400 3D -tulostimen annostelujärjestelmään. Tulokset ovat kuitenkin yhdenmukaisia hypoteesin kanssa. Alumiinin tarttumisen haittalevyihin oletetaan olevan jonkinlaista kylmähitsausta.