Additiv tillverkning utveckling och trender

Transkript

1 KONSTRUKTION 3D-printing En svensk additiv teknik. Arcam och Fuubic är de två svenska innovationsbolag som utveklat tillverkningsteknik för additiv tillverkning. Ovan ses ett av Arcams maskinkoncept, Q10, som arbetar enligt EBM-processen, det vill säga smälter lager för lager metall med hjälp av en kraftfull elektronstråle. Detaljerna till ovan till vänster är tillverkade med Arcams maskin och visar bland annat 1. implantat, 2. en hydraulisk detalj samt 3. en höftledskopp med porös struktur för förbättrad beninväxt. Foto: Arcam. Additiv tillverkning utveckling och trender Additiv tillverkning eller 3D-printing är numera på mångas läppar och intresset för tekniken verkar bli allt större. Men var står tekniken och vad kan vi förvänta oss av framtiden vad gäller den här spännande tillverkningstekniken? I den här artikeln summerar Sven Karlsson, Swerea IVF, dagsläget samt pekar ut vilka trender man i nuläget ser vad gäller additiv tillverkningsteknik. Additiv tillverkningsteknik (Additive Manufacturing (AM) även kallad 3Dprinting är en teknik som lager för lager bygger upp en tredimensionell komponent. Den tekniska kommittén ASTM F42 definierar additiv tillverkning som the process of joining materials to make objects from three-dimensional (3D) model data, usually layer upon layer, as opposed to subtractive manufacturing methodologies 1. Processen utgår från en 3D-CAD modell från vilken en STL-fil skapas som sedan skickas till AM-maskinens datorer. TEXT: Sven Karlsson, Swerea IVF Ur denna skapas en byggfil som skivar upp komponenten till den skikttjocklek som maskinen arbetar med. Andra benämningar som använts, och till viss del fortfarande används, är rapid prototyping, rapid manufacturing, direct digital manufacturing, e-manufacturing och solid freeform fabrication. Under de första 30 åren har tekniken huvudsakligen använts för framtagning av modeller och prototyper. För varje år har andelen direkttillverkning av komponenter ökat och branschen menar att inom ett 10-tal år ska den svara för ca 80 procent av den totala volymen. Årlig rapport state of the art Wohlers Associates publicerar årligen en rapport som försöker spegla nuläget ( state-of-the-art ) dags vad gäller tillgängliga utrustningar, total omfattning av tillverkning, forskningsfronten med mera. Av 2013 års rapport framgår att det för närvarande finns 33 tillverkare av industriella utrustningar (utrustningar dyrare än 5000 USD). Till detta ska läggas ett antal leverantörer av relativt billiga 3D-skrivare, som kanske är den kategori som vuxit kraftigast de senaste åren. En trend bland maskinleverantörer är strävan att tillhandahålla maskiner med allt större byggvolymer. Detta är inte minst viktigt för att kunna möta behov av direkttillverkning av metalliska komponenter. Polymerer dominerar Polymerer dominerar för framtagning av 18 U&K 3/2014

2 3D-printing KONSTRUKTION modeller och prototyper medan metaller och på sikt även keramer blir mer viktiga för direkttillverkning av komponenter. Bedömningar inom branschen pekar dock på att kostnaden för metallpulver inte kommer att sjunka i samma takt som den gjort för plastråvara i takt med att volymen växer. Detta beror dels på dyrare processning av metallråvaran. Dels på att den totala volymen metallpulver trots allt är betydligt mindre än polymerer. En brist hitintills har varit avsaknad av oberoende och tillförlitiga egenskapsdata för komponenter tillverkade med additiv tillverkningsteknik och ställda i jämförelse med mer traditionella tillverkningsmetoder. Idag publiceras fler och fler oberoende studier som visar att det går att producera metalliska material som uppvisar likartade eller till och med bättre mekaniska egenskaper jämfört med t ex smidda produkter. Additiv tillverkning har kommit för att stanna. Tekniken hittar hela tiden nya användningsområden och tillgång till relativt billiga 3d-skrivare gör att bredden ökar. Industriella intresset ökar Additiv tillverkning har kommit för att stanna. Tekniken hittar hela tiden nya användningsområden och tillgång till relativt billiga 3D-skrivare gör att bredden ökar. Hos flera industrigrenar finns ett ökat intresse att utvärdera tekniken då den har potential att ge avsevärt kortare ledtider från skiss till färdig komponent. Flygindustrin och medicinska applikationer är de branscher som har kommit längst. Nyligen skrev Rolls- Royce i ett nyhetsbrev att även om den direkta byggtiden för en komponent är en vecka är det inget att jämföra med en ledtid på 18 månader från order till leverans av den första komponenten tillverkad på konventionell väg. Flygindustrin ser direkt stora fördelar med att kunna ta fram lättare komponenter med samma prestanda. Här har en viktbesparing en direkt inverkan på bränsleförbrukningen som inte bara sparar pengar utan också bidrar till lägre koldioxidutsläpp. Myter Det finns en del myter om 3D-tekniken. Några berörs nedan tillsammans med OM SWEREA IVF Swerea IVF är ett helägt dotterbolag till Swerea, som samlar de svenska instituten inom områdena verkstad och material. Swerea IVF hette tidigare IVF Industriforskning och utveckling AB. Sedan den 1 jan ingår före detta IFP Research i Swerea IVF, som tillför kunskaper inom textila och polymera material. Swerea IVF:s affärsidé är att initiera, utföra och omsätta FoU till tillväxt inom verkstadsindustrin. Omvärldsbevakning, behovsmotiverad forskning och tekniköverföring till företag är Swerea IVFs nyckeluppgifter inom främst produkt-, process och systemutveckling. Mer info: Jan Bäck, Tfn E-post: jan.back@swerea.se Internet: en kort förklaring. Detta i ett försök att ge en realistisk bild av dagsläget och framtiden. Designfriheten är inte obegränsad men den erbjuder stora friheter. Tillverkningstiden per komponent är inte nödvändigtvis snabb men den är anpassningsbar. 3D-tekniken har ännu inte 100 procentig materialanvändning men den ligger nära. 3D-tekniken passar inte alla applikationer men den är för närvarande speciellt lämpad för korta serier av komplexa och/eller kundanpassade produkter. Omsättningen har ökat år från år Den sammantagna omsättningen inklusive försäljning av utrustningar uppges för 2011 till storleksordningen 1.7 miljarder dollar (1.7 billion USD) och förutspås passera 6 miljarder dollar (6 billion USD) under 2017 och 10.8 miljarder dollar (10.8 billion USD) år Av branschens totala omsättning utgörs idag cirka 30 procent av tillverkning av slutprodukter. Under den senaste tioårs perioden har andelen ökat från cirka 4 procent till idag cirka 30 procent och år 2020 förväntas den vara cirka 80 procent av den totala omsättningen. Stor uppmärksamhet med patent som faller 3D-området har aldrig fått så mycket uppmärksamhet som idag. Detta inte bara i vetenskapliga publikationer utan även i populärvetenskapliga tidskrifter och nyhetstidningar, tidskrifter som bevakar företagens ekonomiska utveckling, ny- Forts på sid 20 3D-skrivare? Plast eller metall? Kontakta Signcom. A COMPANY A COMPANY OF OF 3/2014 U&K 19

3 KONSTRUKTION 3D-printing Av branschens totala omsättning utgörs idag ca 30 procent av tillverkningen av slutprodukter. Under den senaste 10-års perioden har andelen ökat från ca 4 procent till idag ca 30 procent och år 2020 förväntas den vara ca 80 procent av den totala omsättningen. Forts från sid 19 hetsbrev samt dagspressen. En anledning till den ökade aktiviteten är att flera av de tidiga strategiska patenten har gått ut eller går ut inom en snar framtid. Detta har bland annat öppnat för en explosion i relativt billiga 3D-skrivare främst avsedda för att ta fram modeller och prototyper i plast. De idag tillgängliga tillverkningsmetoderna har främst utvecklats i USA och Europa. Det man dock ser idag är en växande användning inte bara i USA och Europa utan även i Australien, Sydafrika och Kina. Idag tillgängliga tekniker klassificeras av ASTM i 7 olika kategorier som totalt ger ett 30 tal olika varianter, var och en med sina föroch nackdelar. Tabell 1 sammanfattar de 7 olika kategorierna inklusive använda material och typiska segment för respektive kategori. Angivna maskinproducenter baseras på uppgifter hösten 2013 och kan komma att ändras framöver. Den fortsatta Process Beskrivning Material Marknad Binder Flytande polymerer, prototyper, jetting bindemedel metaller, gjutformar, deponeras gjutsand, direktselektivt keramer tillverkning Material Små droppar foto- prototyper, jetting byggermaterial polymerer, gjutmodeller, deponeras vaxer selektivt Pulver- Värmeenergi polymerer prototyper, lager smälter selektiva metaller, direktsmältning områden i ett keramer tillverkning pulverlager Riktad fokuserad metaller reparationer, energiut- värmeenergi direktplacering smälter samman tillverkning material när det deponeras Lami- Skivor av papper prototyper nering material binds metaller direktihop till ett tillverkning objekt Fotopoly- Flytande fotopolymerer, prototyper merisation fotopolymer keramer i behållare härdas selektivt i behållare genom ljudaktiverad polymerisation Extru- Material polymerer, prototyper dering extruderas keramer, genom ett betong munstycke eller en öppning Tabell 1:. Klassificering av 3D-tekniker enligt ASTM. utvecklingen kan innebära nya processer som inte passar in i någon av de nuvarande 7 kategorierna (se Tabell 1). Lite nyheter Dagligen kommer notiser om användning av 3D-teknik inom skiftande områden och med olika material. Några exempel får illustrera flödet. För att komma ifrån den begränsande byggytan i befintliga utrustningar kan robotarmar användas för att bygga komponenter i fria luften. Högskolan Väst i Trollhättan har bedrivit liknande verksamhet med lasersvetsning för att bygga upp specifika detaljer på större konstruktioner alternativt för reparationsarbeten. Verksamheten startade ursprungligen tillsammans med Saab Automobile men även GKN Aerospace finns med 3. Ett annat område där man bygger stora komponenter är inom byggsektorn. Det kinesiska företaget Shanghai WinSun Decoration Design Engineering Co har byggt tio kompletta hus á 200 kvadratmeter på ett dygn med en 3D-printer som klarar en byggvolym på meter. Husen byggs upp genom extrudering av glasfiberförstärkt betong lager för lager. Företaget pekar även på att merparten av råvaran består av återvunnet material 4. Foton på hus under uppbyggnad liksom kompletta hus återfinns på Liknande arbete bedrivs av det franska arkitektföretaget EZCT som idag bygger stora gjutformar i sand med 3D-teknik. Målsättningen är att slippa gå vägen via en gjutform utan att göra de- 20 U&K 3/2014

4 3D-printing KONSTRUKTION taljerna direkt i 3D med en fiberförstärkt betong benämnd UHPC (Ultra High Performance Concrete). 3 Konsumentprodukter, modebranschen och accessoarer är områden som ser stora möjligheter att använda 3D-printing för att ta fram unika och personliga kreationer. Modedesignern Iris van Herpen presenterade i mars 2014 en ny kollektion Biopiracy collection med produkter TEknik med möjligheter. Dr Boris Holzapfel, ortopedisk kirurg, med en modell av ett bäcken skräddarsytt via 3D-printing. (Foto: Queensland University of Technology). I framtiden tror man sig också kunna skriva ut mänskliga organ med hjälp av den här tekniken. Bild 2 visar OSWatch, en klocka byggd från grunden via 3D-printing av Jonathan Cook, produktutvecklare. Exempel 3. En skruv tillverkad i stål av 3D-företaget DigitalMetal och i aluminiumoxid Al2O3 av Lithoz GmbH. På bilden ses också två keramskruvar, den större är en så kallad grönkropp direkt efter tillverkningen, och den mindre är sintrad och ger en uppfattning om krympningen. tillverkade i det textilliknande materialet TPU 92A-1 med 3D-teknik. 5 Bilder på tillverkade kreationer finns att beskåda på Det svenska företaget Gässling, Malmö har tagit fram en ny lampserie, Breaking bulbs med 3D-tekniken SLS (Selective Forts på sid OktOber 2014 PÅ SvenSka mässan i GöteborG NordeNs StÖrSta mässa För tillverkande industri automation, ProCesstekNik och HÅllbara lösningar I världsklass Hitta lösningar och inspiration för din framtida produktion Mer än 350 utställare seminarier Produktnyheter Framtidsvisioner Helhetslösningar /2014 U&K 21

5 KONSTRUKTION 3D-printing Området har aldrig fått så mycket uppmärksamhet som idag. En anledning till den ökade aktiviteten är att flera av de tidiga strategiska patenten har gått ut eller går ut inom en snar framtid. Forts från sid 21 Laser Sintering), varav en syns här ovan. 6 Lamporna finns att beskåda på SLS-teknik har även använts av Sneaking duck, Australien vid tillverkning av individanpassade glasögonbågar. 4 I Ny Teknik nr 11, 12 mars 2014 kunde man även läsa 3D-skrivaren printar ut framtidens organ. Detta blir i en framtid möjligt med en bioprinter som har två skrivarhuvuden. Det ena skriver ut stödmaterial till det tänkta organet och ur det andra portioneras celler som ska ge organet liv. 7 Aktiviteter i Sverige Sverige har haft en ledande roll inom området. För år sedan utfördes mycket god forskning och dessutom fanns det ett fungerande nätverk för information och spridning av kunskap. Tyvärr har detta till största delen försvunnit och Sverige har hamnat på efterkälken jämfört med andra europeiska länder och USA. För att exemplifiera pågående aktiviteter i Sverige ges här några exempel. Utrustningsleverantörer Arcam, Göteborg tillverkar och saluför utrustningar som arbetar enligt EBM-principen, (EBM = Electron Beam Melting). Företagets maskiner riktar sig främst till två applikationer; flygindustrin och ortopediska implantat. Digital Metal, ett segment inom Höganäs, köpte under 2012 företaget Fcubic. Fcubic var från början ett avknoppningsföretag från Swerea IVF som under ett antal år arbetat med att utveckla en utrustning främst avsedd för 3D-printing av stålpulver. Principen är att printa bindemedel för att bygga upp en grönkropp som efter rensning av överskott av pulver sintras till full täthet. Digital Metal vidareutvecklar tekniken. Utöver dessa två utrustningstillverkare finns ett antal återförsäljare av utrustningar av varierande storlek och prisklass. Dessutom finns servicebyråer som tillverkar komponenter med olika 3Dtekniker. Forskning Vid Mittuniversitetet i Östersund, SP Sveriges Tekniska Forskningsinstitut i Borås, Mälardalens Högskola, Chalmers, KTH och Stockholms Universitet bedrivs mer samlad verksamhet. Verksamheten vid SP liksom vid Mittuniversitetet har bedrivit forskning och utbildning sedan 2000 och använder sedan 2006 Arcams EBM-teknik. Vid Chalmers bedrivs verksamhet kring att bygga konstgjorda organ som Global marknad, Mill US$ SNABB UTVECKLING. Prognosmakare bedömer utifrån input från ett 20-tal välrenommerade industriella experter en fortsatt stark tillväxt. Udda lampa. Joakim Christoffersson, ägare av Gässling Breaking, har designat bland annat de här båda lamporna med hjälp av 3D-printing. Jag ville utmana mig själv och skapa objekt som inte skulle vara möjligt att producera med traditionella tillverkningsmetoder. Målet med projektet Breaking Glödlampor var att utforska 3D-utskrifter och ta reda på hur långt jag kan pressa tekniken. Det är ett projekt som lever någonstans mellan konst och design, säger Joakim Christoffersson. kan opereras in i människokroppen. Swerea IVF har nyligen avslutat ett Vinnova-finansierat projekt kring direkttillverkning av funktionella mikrosystem med användning av tunna skikttjocklekar. Tekniken har potential för masstillverkning av små multimaterial komponenter med unik design. Swerea SWECAST bedriver arbete tillsammans med gjuterier kring framtagning av gjutkärnor och gjutformar. Swerea-koncernen bedriver under våren 2014 ett gemensamt förstudieprojekt, 3D 3. Swerea IVF leder arbetet och samtliga Swerea-bolag ingår i projektgruppen. Målsättningen är att förstudien ska utmynna i ett projektförslag till ett längre och större projekt. Beslut om fortsatt verksamhet inom området förväntas i början av juni. Inom projektet 22 U&K 3/2014

6 planeras även för inköp av utrustning. Hur industriell är användningen? Wohlers rapport visar att den samlade volymen, maskiner och tillverkade komponenter, visar en årlig tillväxt (CAGR) på cirka 27 procent för perioden Tillväxten under de tre senaste åren har varit betydligt kraftigare jämfört med tidigare perioder. Stora flygplanstillverkare som Boeing, GE Aviation och Airbus arbetar intensivt med att kvalitetssäkra 3D-processer och material för flygande applikationer. Flygindustrin ligger långt framme i att använda additiv tillverkning och detta beror på den direkta inverkan lägre vikt har på lägre bränsleförbrukning och minskade utsläpp. Till exempel så har Boeing 200 olika 3D-detaljnummer på tio produktionsplattformar för både militära och civila jetplan. 8 Rolls-Royce utvärderar tekniken och en stor anledning till intresset är möjligheten till avsevärt förkortad ledtid. GE Aviation tillverkar årligen munstycken för bränsleinsprutning i nya jetmotorer som ska lanseras Munstycket kan göras cirka 25 procent lättare som innebär lägre bränsleförbrukning är de stora drivkrafterna. Munstycket görs i ett stycke att jämföra med det tidigare som bestod av 18 olika delar. Ett annat exempel är additiv tillverkning av ett verktyg för formsprutning av elkontakter. 3D-tekniken medgav en helt ny design av verktygets kylkanaler och genom detta var det möjligt att förkorta kyltiden per cykel från cirka 14 till cirka 8 sekunder. Utöver tidsbesparingen erhölls även andra förbättringar. Andra branscher såsom fordonsindustrin, tillverkare av dental- och medicintekniska produkter samt producenter av konsumentprodukter följer utvecklingen och planerar för hur man ska kunna ta tillvara och utnyttja 3D-tekniken. 3D-tekniken har under de hitintills gångna åren vunnit flera landvinningar för att komma dit den står idag. Från att uteslutande ha använts för modell- och prototyptillverkning siktar flera branscher idag mot direkttillverkning av komponenter. 3D-teknik är etablerad som en seriös tillverkningsteknik tillsammans med mer konventionella metoder. Bland fördelar och drivkrafter kan nämnas: Från CAD-ritning direkt till produkt. Design för mer flexibel kundanpassning. Design för funktion, multifunktionella komponenter. Design för lätta strukturer. Near net and net shape. Optimal materialanvändning. Begränsade utsläpp av giftiga kemikalier och andra miljöfördelar. Lokal produktion. Förkortad tid från idé till produkt. Mer info: Tfn E-post: sven.karlsson@swerea.se Fotnoter: 1. ASTM F Standard Terminology for Additive Manufacturing Technologies. 2. Wohlers, T.: Wohlers Report 2013: Additive Manufacturing and 3D Printing State of the Industry, Annual Worldwide Progress Report, Wohlers Associates Nyhetsbrevet 3dp.se, , 4. Nyhetsbrevet 3dp.se, , 5. Nyhetsbrevet 3dp.se, , 6. Nyhetsbrevet 3dp.se, , 7. Nyhetsbrevet 3dp.se, , samt Ny Teknik, nr 11, 8, Wohlers, T.: Additive manufacturing advances, Manufacturing Engineering, 148 (4), 55-63, En hel bok om plast! Vi vill gärna fortsätta berätta om plast men allt vi kan vi kan ryms givetvis inte i den här boken. Boka gärna ett möte med oss så berättar vi mer. Besök vår hemsida: Här finns vi! Herrljunga Göteborg Gislaved Bredaryd Laxå Alstermo Tallinn Tartu 3/2014 U&K 23