Grundlæggende viden

Additiv fremstilling bliver stadig vigtigere. Støberier kan også drage fordel af 3D-printing. Men hvordan virker det, og hvor bruges det?

Additive fremstillingsprocesser åbner op for helt nye designmuligheder.

( Kilde: / CC0 )

Additiv fremstilling spiller en stadig vigtigere rolle i fremstillingsindustrien og anvendes hovedsageligt til værktøjsfremstilling og prototypebygning.

Additiv fremstilling: Definition og forklaring

Denne fremstillingsproces anvendes først og fremmest til værktøjsfremstilling (rapid tooling), til fremstilling af slutprodukter (rapid manufacturing) og til prototypefremstilling (rapid prototyping). Hvordan kan additiv fremstilling klassificeres i forhold til fremstillingsteknologier? Fremstillingsteknologier er generelt baseret på tre søjler:

• Subtraktive processer (noget fjernes): Fræsning, drejning osv.

• Formative Processer (et materiale omformes): Støbning, smedning osv.

• Additive Processer (noget tilføjes): 3D-printning osv.

Additiv fremstilling beskriver processer, hvor den del, der skal fremstilles, konstrueres ved at tilføje materiale. Konstruktionen foregår i lag. Dette indebærer følgende to aspekter:

1. Komponenten er opbygget af forskellige lag. Normalt udføres processen fra bunden til toppen. Kort sagt anvendes det samme princip som ved opbygning af sandslotte: Et nyt lag påføres en byggeplatform for at bygge et tårn.

2. Forskellige processer finder sted gentagne gange i lag (dvs. den ene efter den anden). Det drejer sig om tilførsel af materiale, smeltning (formning) og endelig sammenbinding med de foregående lag. Disse trin, der kaldes proceskæden, er de samme, uanset hvilken maskine der anvendes til additiv fremstilling. Den eneste forskel er den måde, hvorpå de enkelte lag skabes.

Additiv fremstilling gør det således muligt at skabe 3D-objekter. For at gøre dette muligt skal maskinen først have 3D-konstruktionsspecifikationerne (“tredimensional CAD”) af den del, der skal fremstilles. Det pågældende datasæt består af omridsdata (længde x, højde y), antallet af lag (z) og lagtykkelsen (dz). Det er det tilsvarende computerprograms opgave at opdele modellen i passende lag. Softwaren overfører derefter datasættet til maskinen i form af produktionsinstruktioner, f.eks. printeren til 3D-metalprint.

Hvordan fungerer det?

I næsten alle tilfælde bruger additiv fremstilling et pulverbed. Det betyder, at et pulveriseret materiale føres ind i et bed, hvor det viderebehandles. Ved 3D-metaludskrivning reduceres et metal (eller flere metaller) f.eks. til et pulver, inden det føres ind i kammeret og genopbygges. Der findes fire almindelige metoder til fremstilling af lagene fra pulveret:

• Selective Laser Sintering (SLS)

• Selective Laser Melting (SLM)

• Electronic Beam Melting (EMD/ EBM)

• Binder Jetting

SLS: Sintering indebærer opvarmning af materialer under tryk, men ikke til det punkt, hvor de smelter. Laserteknologi gør det muligt at skabe tredimensionelle geometrier ved hjælp af underskæringer. Der anvendes normalt CO2- eller fiberlasere til dette formål.

SLM: Pulveret opvarmes af en højenergi-fiberlaser og afkøles derefter. Komponenternes form skabes ved målrettet afbøjning af laserstrålerne. SLM anvendes mere og mere hyppigt end SLS. Da der ikke påføres noget tryk, udviser objekterne en højere styrke og er derfor mere holdbare. Denne proces anvendes ofte til 3D-metaludskrivning.

EMD/ EBM: I princippet svarer denne metode til SLM. Ved denne anvendelse anvendes dog en elektronstråle og ikke en laserstråle. Hele processen finder sted i et vakuum. EMD er hurtigere end SLM, men mindre præcis og har en lavere maksimal printvolumen. EMD-maskiner har en gennemsnitlig diameter på 350 mm og en højde på 380 mm. SLM-maskiner er dobbelt så store. EMD er især en ideel additiv fremstillingsteknologi, når der skal produceres små dele i store mængder. Denne proces anvendes også ofte til 3D-metalprintning.

Binder Jetting: Pulveret deponeres selektivt med et flydende bindemiddel for at danne lagene. Denne proces har den fordel, at den giver mulighed for en meget enkel konstruktion i forskellige farver.

Andre fremstillingsprocesser

Disse fire typer af additiv fremstilling kan suppleres eller erstattes af andre processer. Dette gælder f.eks. for:

• Stereolitografi: Dette er et klassisk tilfælde for additiv fremstilling. Processen var allerede blevet udviklet af Chuck Hull i 1983. Objektet sænkes gradvist ned i et flydende fotopolymerbad. Det bearbejdes af en laser.

• Fused Layer Modelling (FLM): Dette er den sædvanlige procedure for 3D-print (med plast). Det er en særlig ekstruderingsproces, hvor materialet “presses” ud af en dyse for at blive formet efter afkøling. Som sædvanlig foregår ekstruderingen i lag. Inden for f.eks. bilindustrien eller elektronikindustrien supplerer FLM ofte SLM-objekter. 3D-metaludskrivning kan f.eks. suppleres med FLM.

Anvendelsesområder

Anvendelsesområderne for additive fremstillingsprocesser kan inddeles i tre kategorier. Disse anvendelsesområder bliver ofte fejlagtigt sidestillet med teknologierne:

• Hurtig prototypefremstilling: Additiv fremstilling anvendes til at muliggøre hurtig konstruktion af en model. Der bør være fysiske modeller til rådighed på et tidligt tidspunkt i udviklingen af et produkt. Rapid prototyping gør det muligt at fremstille disse modeller på en særlig pålidelig måde.

• Rapid Tooling: I Tyskland fremstilles små serieværktøjer til sprøjtestøbning og metalstøbning normalt ved hjælp af 3D-metaludskrivning.

• Rapid Manufacturing: Dette indebærer hurtig produktion af genstande, der anvendes som slutprodukter eller komponenter. I modsætning til rapid prototyping genereres der ikke modeller, men færdige dele, der er klar til brug.

Pros and Cons of Additive Manufacturing

Hvad er fordelene ved additiv fremstilling?

• Individualisering

• Større designfrihed

• Speed

• Ingen værktøjer og ingen forme er nødvendige

En af de vigtigste fordele er, at objekter kan tilpasses som ønsket. Det er f.eks. muligt at fremstille vægge med varierende tykkelser, meget fine strukturer eller meget små dimensioner. Desuden er det muligt at realisere komplekse geometrier ved hjælp af 3D-metaludskrivning, hvilket ikke ville være muligt ved hjælp af andre fremstillingsprocesser. Dette omfatter f.eks. hulrum, underskæringer, kanaler med buer eller overhæng. Tidligere var det sådan, at designet af et objekt måtte følge de begrænsninger, som fremstillingsmulighederne gav. Denne begrænsning er stort set elimineret med additiv fremstilling, og derfor er det en stor fordel, især inden for 3D-metaludskrivning. Desuden tager den additive fremstilling af et objekt normalt kun nogle få timer, mens andre fremstillingsprocesser tager dage eller uger.

Additiv fremstilling har også følgende ulemper:

• Uundgåelig efterbehandling

• Begrænset egnethed til industriel masseproduktion

Hvis et objekt kræver en vis overfladekvalitet, er efterbehandling uundgåelig. Det samme gælder, hvis visse tolerancer skal overholdes. Der findes endnu ikke nogen standard for dette (ISO/ASTM 52195 kunne dog udarbejdes yderligere på tilsvarende måde). Især i forbindelse med 3D-metaludskrivning kan efterbehandling være ekstremt tidskrævende.

For eksempel er det ved 3D-metaludskrivning normalt muligt at fremstille højst to genstande i en maskine på samme tid. Konventionelle fremstillingsmetoder gør det derimod muligt at producere langt større mængder. Til industriel masseproduktion er additiv fremstilling derfor kun i begrænset omfang egnet til industriel masseproduktion. Det bedste eksempel herpå er bilproduktionen: Teoretisk set kan et helt køretøj fremstilles ved hjælp af additiv fremstilling. På grund af det store antal komponenter ville dette imidlertid være alt for dyrt. Derfor fremstilles de fleste komponenter fortsat med konventionelle metoder.

Dualitet i omkostningerne

Spørgsmålet om investeringer er ifølge eksperter et kontroversielt emne. Fordi prisintervallet for anskaffelsesomkostningerne for en maskine spænder fra 15 euro til over 100.000 euro. Sammenlignet med andre maskiner er dette ikke særlig dyrt. Dette er stadig tilfældet, hvis vedligeholdelsesomkostningerne er inkluderet. Især inden for medicinsk teknologi giver additiv fremstilling derfor en betydelig omkostningsfordel. Anderledes forholder det sig med industrielle anvendelser. Her supplerer 3D-metalprintning f.eks. de konventionelle produktionssystemer. De kan dog ikke helt erstatte dem. Her medfører additiv fremstilling yderligere omkostninger.

Additiv fremstilling i fremtiden

Additiv fremstilling har en stor fremtid foran sig. SAMG opsummerede det på denne måde: Den nuværende udvikling inden for additiv fremstilling har allerede overgået de forudsigelser, der blev fremsat i undersøgelser, der blev gennemført i tidligere år. Renommerede forskningsinstitutioner som ETH Zürich er overbevist om, at 3D-metaludskrivning vil få stadig større betydning inden for maskinteknik og værktøjsfremstilling. Målet er, at additiv fremstilling skal blive hurtig og præcis nok til at være egnet til serieproduktion. På nuværende tidspunkt konkurrerer mulighederne ved additiv fremstilling stadig med CNC-styrede maskiner, som stadig er bedre egnet til serieproduktion. Det langsigtede mål er, at 3D-metalprintning af komplekse genstande i fremtiden vil overhale CNC.

Rumfarts- og luftfartsindustrien er ansvarlig for den vellykkede anvendelse af 3D-printing. Inden for bilindustrien fremstilles især reservedele ved hjælp af additiver. Her finder du yderligere oplysninger om brugen af additiv fremstilling i en artikeloversigt.

Denne artikel blev første gang offentliggjort af MM International.