Additiv tillverkning. Myter och möjligheter. Axel Nordin LTH

Transkript

1 Additiv tillverkning Myter och möjligheter Axel Nordin LTH

2 Additiv tillverkning (3D Printing) Skapa en CAD-modell i 3D Mjukvara skivar upp modellen Maskinen bygger upp modellen lager på lager Subtraktiv tillverkning Additiv tillverkning

3

4 Reality check: kan AM användas idag? AM har använts för prototypbygge i 28 år. För vissa tillämpningar är AM bra nog redan idag för produktion. Den här trenden kommer bara att fortsätta uppåt i takt med att tekniken utvecklas och mognar.

5 Tillväxt i industrin Bättre tillväxt än någonsin! 80% fler metall-am-system sålda Inom segmentet för industriella maskiner (över US$100,000) så installerades 2016 minst 7 metallsystem och 25 polymersystem i Sverige.

6 (Missförstådd) myt Varje hem kommer att ha en 3D printer Ja! Alla kommer ha en 3D printer, men de kommer användas för hobbys och som leksaker. Det är osannolikt att hemmaskrivare någonsin kommer att användas för att skriva ut allt vi använder. Många har t ex en symaskin men tillverkar inte alla sina kläder själv.

7 Myt Hemmaskrivare är samma som de industriella!

8 Part cost AM styckkostnad och produktionsantal High Additive manufacturing Sand/Investment casting Milling & turning Forging Extrusion Anm.: Styckkostnaden minskar för de flesta tillverkningsmetoder när kvantiteten ökar. Med AT minskar styckkostnaden något med större kvantitet men inte lika dramatiskt som för andra tekniker Pressure die-casting Laser or waterjet cutting Sheet metal CNC turret punching Rotational molding Low Blow molding Injection molding 0 Hundreds Thousands Tens of thousands Hundreds of thousands Manufacturing quantity

9 AM ställkostnad och produktionsantal Setup costs High Pressure die-casting Injection molding Blow molding Rotational molding Forging Extrusion Sand/Investment casting Milling & turning Sheet metal CNC turret punching Laser or waterjet cutting Low Additive manufacturing 0 Hundreds Thousands Tens of thousands Hundreds of thousands Manufacturing quantity

10 Reality check AM kommer INTE ersätta traditionell tillverkning! Det är en nischad teknik som, för vissa produkter, och om den används på rätt sätt, ger enorma fördelar jämfört med traditionella tekniker. Men för att AT ska vara fördelaktigt måste produkterna vara konstruerade för AM (KfAM). Allt bör inte 3D-printas! Använd bara AM om det erbjuder en fördel!

11 Fördel: Komplexitet är gratis! Ju mer komplex geometrin är desto mer lämplig är den för 3D printing. Men det omvända är också sant! Om en del är enkel så kanske det finns bättre sätt att tillverka den!

12 KfAM: komplexitet är gratis: estetik Deluxe tapware by American Standard

13 KfAM : topologioptimering Topologioptimering: Matematisk metod för att ta bort material som är onödigt automatiskt

14 Fördel: skräddarsydda produkter Med AM så kostar det inte mer att göra varje del unik än det gör att göra dem alla lika. Detta möjliggör skräddarsydda produkter.

15 KfAM : mass-customisation: medicinteknik The old fashioned way Custom prosthetic 3D printed for 2 ½ year old Neya by Emelie Strömshed at Lund University The new way

16 Fördel: Sammanslagning av delar Eftersom komplexitet är gratis med AM så kan flera enkla delar slås samman till en enda komplex del. Detta kan minska antalet delar, göra det enklare att montera, et c.

17 Gitarrhållare Från 16 delar till 1

18 Part consolidation

19 Fördel: verktygslös produktion En av de största barriärerna för att få ut en produkt på marknaden (och för innovation) är ledtiden och kostnaden för att skapa produktionsverktyg. I vissa fall kan AM minska denna barriär. Och AM kan kraftigt reducera ledtider!

20 Instant production: drönare på en vecka

21 Se bortom direkttillverkning av delar De flesta tänker på AM för direkttillverkning Men AM kan också användas för att tillverka verktyg för traditionell tillverkning för att: minska time-to-market Höja effektiviteten Skriv bara ut den komplexa delen!

22 Fördel: on-demand-tillverkning Delar kan tillverkas när de behövs, istället för att lagerhålla ett stort antal Delar kan tillverkas lokalt, istället för i utlandet, och på så sätt reducera försörjningskedjan, och inverkan på miljön

23 AM och försörjningskedjan Igår Idag Imorgon Föreställ er vad detta hade kunnat göra för reservdelsmarknaden!

24 Reservdelar: några skrämmande siffror Uppskattningsvis finns det världen över fordonsreservdelar för $750 miljarder, vitvarureservdelar för $200 miljarder, et c. Detta utgör ungefär 10% av omsättningen för tillverkningen. Mer än 60% av alla reservdelar används inte inom 3 år. Vissa uppskattar att 70% av dem inte någonsin kommer användas. Reservdelar kostar pengar som hade kunnat användas mer produktivt på annat håll! Det finns ett växande intresse för AT av reservdelar.

25 Myt Det är bara att trycka på skriv ut så är man klar! Den absolut största delen av utskrivna delar kräver efterbehandling. Detta kan vara allt ifrån att ta bort stödmaterial, polering, bearbetning, ytbeläggning, värmebehandling, infärgning, till att slipa och måla, et c.

26 Den bortglömda delen av AM: efterbehandling Stödmaterial för värmeledning

27 2 h arbete I Magics 30 minuter filbearbetning 2 h maskinförberedelse 9 h utskrift 2 h för städning av maskinen 3 h värmebehandling 30 h svalning 15 min sågning 4 dagar för att ta bort stödmaterial 4 dagar för att slipa, fila polera, blästra Coming soon to a theatre near you! Worlds first 3D printed aluminium guitar

28 Myt Det är bara att trycka på skriv ut så är man klar! AM-systemen måste vara noggrant justerade för materialet som ska skrivas ut

29 Kontrollerat kaos

30 AM-processer för Metall Metal Additive Manufacturing Binder Jetting Technologies ExOne, Digital Metal Powder-bed Fusion Technologies Extrusion Technologies Mark Forged Metal-X, Formfutura, Desktop Metal Direct Energy Deposition Technologies Ink Jetting Technologies X-Jet Laser Beam Melting (LBM, SLM) Electron Beam Melting (EBM) Blown Powder Technologies (LMD, CLAD, LENS) Wire Welding Technologies (EBAM) Hybrid Technologies (AM + CNC)

31 Pulverbäddsmaterial Nylon GF nylon HR nylon PP-like nylon Alumide (aluminiumfilled nylon) Carbonmide (carbon-filled nylon) PEEK Rostfritt stål Verktygsstål Titan 6-4 Aluminium Tungsten Nickel-baserade super legeringar Koboltkrom Koppar Ädelmetaller t ex guld

32 Möjliga defekter i AM-material Med fel inställningar eller dåligt pulver kan vissa defekter uppstå: Osmält pulver Dålig vidhäftning Porer Sprickbildning Restspänningar Ojämn yta Defects that can be found and avoided in parts manufactured by Metal PBF technology (Courtesy of IK4

33 Fördom AM-delar har låg hållfasthet Ja, alla tekniker har en anisotropi och ger restspänningar i delen Men, genom design för AM, värmebehandling, het isostatisk pressning och efterbearbetning kan man få delar som har lika bra eller bättre egenskaper jämfört med traditionella material

34 Materialegenskaper Mechanical properties for Ti6Al4V materials by Metal PBF, Metal PBF + HIP and wrought (Courtesy of Fraunhofer IFAM) Yield strength for various Ni base materials by Metal PBF and DED (Courtesy of Fraunhofer IFAM)

35 Utmattningsegenskaper Behövs mer forskning Generellt sämre utmattningsegenskaper pga defekter (även bearbetade och polerade delar) Processparametrar Tid mellan varje lager Orientering och position i byggkammaren Aref Yadollahi, Nima Shamsaei, Additive manufacturing of fatigue resistant materials: Challenges and opportunities,

36 The effect of HIP

37 Framtiden för AM

38 Apis Cor utskrivet på 24 h

39 Små delar 285-micron (0.011 inch) race car, created by two-photon lithography at the Vienna University of Technology

40 AM för kretskort Courtesy of Voxel8

41 FabCafe in the Shibuya, Tokyo offers custom 3D-printed chocolates that resemble a customer s face. Eat Your Face Machine is a 3D printer developed by David Carr and the MIT Media Lab

42 Vad saknas? Vi behöver fler material, bättre ytfinish, och certifierbara processer Vi behöver designmjukvaror som tillåter oss designa säkra produkter som är optimerade för AM. Vi behöver uppdatera våra grund- och högskoleutbildningar med konstruktion för AM. Automation av hela arbetsflödet från förberedelse och urlastning till efterbehandling.

43 Framtiden är här!