Grundläggande kunskap

Additiv tillverkning blir allt viktigare. Även gjuterier kan dra nytta av 3D-utskrift. Men hur fungerar det och var används det?

Additiva tillverkningsprocesser öppnar upp helt nya designmöjligheter.

( Källa: / CC0 )

Additiv tillverkning spelar en allt viktigare roll inom tillverkningsindustrin och används främst inom verktygstillverkning och prototyptillverkning.

Additiv tillverkning: Definition och förklaring

Denna tillverkningsprocess används framför allt vid verktygstillverkning (rapid tooling), vid tillverkning av slutprodukter (rapid manufacturing) och vid prototyptillverkning (rapid prototyping). Hur kan additiv tillverkning klassificeras när det gäller tillverkningsteknik? Tillverkningsteknik bygger i allmänhet på tre pelare:

• Subtraktiva processer (något avlägsnas): Fräsning, svarvning osv.

• Formativa processer (ett material omformas): Gjutning, smide etc.

• Additiva processer (något läggs till): 3D-utskrift etc.

Additiv tillverkning beskriver processer där den del som ska tillverkas konstrueras genom tillsats av material. Konstruktionen sker i lager. Detta innefattar följande två aspekter:

1. Komponenten är uppbyggd av olika lager. Vanligtvis utförs processen från botten till toppen. Enkelt uttryckt används samma princip som vid byggandet av sandslott: Ett nytt lager appliceras på en byggplattform för att bygga ett torn.

2. Olika processer sker upprepade gånger i lager (dvs. efter varandra). Det handlar om tillförsel av material, smältning (formning) och slutligen sammanfogning med de tidigare lagren. Dessa steg, som kallas processkedjan, är desamma oavsett vilken maskin som används för additiv tillverkning. Den enda skillnaden är hur de enskilda lagren skapas.

Additiv tillverkning gör det alltså möjligt att skapa 3D-objekt. För att göra detta möjligt behöver maskinen först 3D-konstruktionsspecifikationerna (”tredimensionell CAD”) för den del som ska tillverkas. Respektive datamängd består av konturdata (längd x, höjd y), antalet lager (z) och lagertjocklek (dz). Det är det motsvarande datorprogrammets uppgift att dela upp modellen i lämpliga lager. Programvaran överför sedan datamängden till maskinen i form av produktionsinstruktioner, t.ex. skrivaren för 3D-metalltryckning.

Hur fungerar det?

I nästan alla fall använder additiv tillverkning en pulverbädd. Det innebär att ett pulveriserat material matas in i en bädd där det bearbetas vidare. Vid 3D-metalltryckning reduceras till exempel en metall (eller flera metaller) till ett pulver innan den matas in i kammaren och byggs upp på nytt. Det finns fyra vanliga metoder för att framställa skikten från pulvret:

• Selective Laser Sintering (SLS)

• Selective Laser Melting (SLM)

• Electronic Beam Melting (EMD/ EBM)

• Binder Jetting

SLS: Sintring innebär att material värms upp under tryck, men inte till den grad att de smälter. Laserteknik gör det möjligt att skapa tredimensionella geometrier med hjälp av underskärningar. Vanligtvis används CO2- eller fiberlaser för detta.

SLM: Pulvret värms upp av en fiberlaser med hög energi och kyls sedan ner. Komponenternas form skapas genom laserstrålarnas riktade avböjning. SLM används allt oftare än SLS. Eftersom inget tryck appliceras uppvisar föremålen en högre hållfasthet och är därför mer hållbara. Denna process används ofta för 3D-metallutskrift.

EMD/ EBM: I princip liknar denna metod SLM. I denna tillämpning används dock en elektronstråle och inte en laserstråle. Hela processen sker i ett vakuum. EMD är snabbare än SLM, men mindre exakt och har en lägre maximal utskriftsvolym. EMD-maskiner har en genomsnittlig diameter på 350 mm och en höjd på 380 mm. SLM-maskiner är dubbelt så stora. EMD är framför allt en idealisk additiv tillverkningsteknik när små delar måste tillverkas i stora mängder. Denna process används också ofta för 3D-metalltryckning.

Binder Jetting: Pulvret deponeras selektivt med ett flytande bindemedel för att bilda lagren. Denna process har fördelen att den möjliggör en mycket enkel konstruktion i olika färger.

Andra tillverkningsprocesser

Dessa fyra typer av additiv tillverkning kan kompletteras eller ersättas av andra processer. Detta gäller till exempel:

• Stereolitografi: Detta är ett klassiskt fall för additiv tillverkning. Processen hade redan utvecklats av Chuck Hull 1983. Föremålet sänks gradvis ner i ett flytande fotopolymerbad. Det bearbetas av en laser.

• Fused Layer Modelling (FLM): Detta är det vanliga förfarandet för 3D-utskrift (med plast). Det är en speciell extruderingsprocess där materialet ”pressas” ut ur ett munstycke för att formas efter kylning. Som vanligt sker extruderingen i lager. Inom t.ex. fordons- eller elektronikindustrin kompletterar FLM ofta SLM-objekt. 3D-metalltryckning kan till exempel kompletteras med FLM.

Användningsområden

Användningsområdena för additiva tillverkningsprocesser kan delas in i tre kategorier. Dessa tillämpningar likställs ofta felaktigt med teknikerna:

• Snabba prototyper: Additiv tillverkning används för att möjliggöra snabb konstruktion av en modell. Det bör finnas fysiska modeller tillgängliga i ett tidigt skede av produktutvecklingen. Rapid prototyping gör det möjligt att tillverka dessa modeller på ett särskilt tillförlitligt sätt.

• Rapid Tooling: I Tyskland tillverkas små serieverktyg för formsprutning och metallgjutning vanligen med hjälp av 3D-metallutskrift.

• Snabb tillverkning: Detta innebär snabb tillverkning av föremål som används som slutprodukter eller komponenter. Till skillnad från rapid prototyping genereras inga modeller utan färdiga delar.

Fördelar och nackdelar med additiv tillverkning

Vad är fördelarna med additiv tillverkning?

• Individualisering

• Större designfrihet

• Snabbhet

• Ingen verktyg och inga formar krävs

En av de viktigaste fördelarna om att objekten kan anpassas efter önskemål. Det är till exempel möjligt att tillverka väggar med varierande tjocklek, mycket fina strukturer eller mycket små dimensioner. Dessutom är det möjligt att realisera komplexa geometrier med hjälp av 3D-metalltryckning, vilket inte skulle vara möjligt med andra tillverkningsprocesser. Detta inkluderar till exempel håligheter, underskärningar, kanaler med bågar eller överhäng. Tidigare var det så att utformningen av ett föremål var tvungen att följa begränsningarna i tillverkningsmöjligheterna. Denna begränsning elimineras till stor del med additiv tillverkning och är därför en stor fördel, särskilt vid 3D-metalltryckning. Dessutom tar den additiva tillverkningen av ett objekt vanligtvis bara några timmar, medan andra tillverkningsprocesser tar dagar eller veckor.

Additiv tillverkning har också följande nackdelar:

• Oundviklig efterbehandling

• Begränsad lämplighet för industriell massproduktion

Om ett objekt kräver en viss ytkvalitet är efterbearbetning oundviklig. Detsamma gäller om vissa toleranser ska upprätthållas. Det finns ännu ingen standard för detta (ISO/ASTM 52195 skulle dock kunna vidareutvecklas på motsvarande sätt). Särskilt när det gäller 3D-metalutskrift kan efterbehandling vara extremt tidskrävande.

Till exempel tillåter 3D-metalutskrift vanligtvis att högst två objekt tillverkas i en maskin samtidigt. Konventionella tillverkningsmetoder gör det däremot möjligt att producera mycket större mängder. För industriell massproduktion är additiv tillverkning därför endast lämplig i begränsad omfattning. Det bästa exemplet på detta är biltillverkning: Teoretiskt sett skulle ett helt fordon kunna tillverkas genom additiv tillverkning. På grund av det stora antalet komponenter skulle detta dock bli alldeles för dyrt. Därför fortsätter de flesta komponenterna att tillverkas med konventionella metoder.

Dualitet i kostnaderna

Frågan om investeringar är ett kontroversiellt ämne, enligt experter. Eftersom prisintervallet för anskaffningskostnaderna för en maskin sträcker sig från 15 euro till över 100 000 euro. Jämfört med andra maskiner är detta inte särskilt dyrt. Detta är fortfarande fallet om underhållskostnaderna inkluderas. Särskilt inom medicintekniken erbjuder additiv tillverkning därför en betydande kostnadsfördel. Det är annorlunda när det gäller industriella tillämpningar. På detta område kompletterar till exempel 3D-metalltryckning konventionella produktionssystem. De kan dock inte helt ersätta dem. Här orsakar additiv tillverkning ytterligare kostnader.

Additiv tillverkning i framtiden

Additiv tillverkning har en stor framtid framför sig. SAMG sammanfattade det på följande sätt: Den nuvarande utvecklingen av additiv tillverkning har redan överträffat de förutsägelser som gjorts i studier som genomförts under tidigare år. Renommerade forskningsinstitutioner som ETH Zürich är övertygade om att 3D-metalltryckning kommer att bli allt viktigare inom maskinteknik och verktygstillverkning. Målet är att den additiva tillverkningen ska bli tillräckligt snabb och exakt för att vara lämplig för serietillverkning. För närvarande konkurrerar den additiva tillverkningens möjligheter fortfarande med CNC-styrda maskiner, som fortfarande lämpar sig bättre för serietillverkning. Det långsiktiga målet är att 3D-metallutskrift av komplexa föremål i framtiden ska ta över CNC.

Rymd- och flygindustrin är ansvarig för den framgångsrika användningen av 3D-utskrift. Inom bilindustrin tillverkas i synnerhet reservdelar med hjälp av tillsatser. Här hittar du ytterligare information om användningen av additiv tillverkning i en artikelöversikt.

Denna artikel publicerades först av MM International.