Innovation genom additiv tillverkning

Transkript

1 Innovation genom additiv tillverkning Dennis Ståhl Siyu Guo Examensarbete TRITA-ITM-EX 2018:82 KTH Industriell teknik och management Maskinkonstruktion SE STOCKHOLM

2 Examensarbete TRITA-ITM-EX 2018:82 Innovation genom additiv tillverkning Dennis Ståhl Siyu Guo Godkänt Examinator Ulf Sellgren Uppdragsgivare KTH Maskinkonstruktion Handledare Ulf Sellgren Kontaktperson Ulf Sellgren Sammanfattning Additiv tillverkning, AM, är en teknik som utvecklas med stormsteg. Konventionella tillverkningsmetoder, som exempelvis svarvning eller formgjutning, är begränsade när det kommer till att ta fram produkter med komplexa geometrier och därför är AM ett bra komplement. Tidigare har dock andra materialegenskaper såsom brott- och sträckgräns varit något som kompenserats med inom AM. Men i den takt som AM utvecklas kan tekniken snart ersätta de flesta konventionella tillverkningsmetoderna helt. Syftet med denna rapport är att redogöra vad som är möjligt att producera med dagens AM och vad som kan förväntas i framtiden. Eftersom att komplexa former inte är ett problem med AM så går produkterna att ta fram i ett enda steg jämfört med när de tidigare blivit hopmonterade av flera mindre delar. AM i metall är något som är under snabb utveckling och i dagsläget finns det många metoder för detta, bland annat Selective Laser Sintering, Selective Laser Melting, Beam Metal Deposition, Electron Beam Melting och Binder Jetting. Metoderna använder olika typer av teknik för att skapa modeller och de har alla sina för- och nackdelar vad gäller kostnad, hållfasthet och arbetshastighet. Verktyg i alla dess former är exempel på produkter som kräver hög prestanda och lång livslängd. För att integrera de höga kraven på prestanda och möjligheterna till komplexa geometrier med AM så är det en spiralborr med invändiga kylkanaler som tas fram i denna rapport. De invändiga kylkanalerna skiftar i diameter för att optimera intaget av kylmedel samtidigt som trycket på utloppet ökar. Som tidigare nämnt finns det många metoder för AM i metall. Den metod som anses bäst lämpad för detta ändamål är Selective Laser Melting då denna metod skapar kompakta metallprodukter med hög hållfasthet. En 3D-modell av Spiralborren skapas i Solid Edge ST9 och modellen simuleras i ANSYS Workbench för att se hur kylkanalerna påverkar borren vid användning. Resultatet av simuleringen visar på att den totala deformationen blir 0,68μm och den maximala 1

3 spänningen blir 33,95MPa, båda uppstår i mitten på spiralborren. Varken totala deformationen eller spänningen i borren når alltså en kritisk gräns, och därför dras slutsatsen att detta är en konstruktion som skulle klara de krav som finns på en borr. Utvecklingen av nya metoder för AM i metall går snabbt och inom en snar framtid kommer de nya teknikerna ha så pass hög arbetshastighet och vara så pass priseffektiva att de kommer kunna ersätta de flesta konventionella tillverkningsmetoderna helt och hållet. Nyckelord: Additiv tillverkning, innovation, kylning, metall, spiralborr. 2

4 3

5 BachelorThesis TRITA-ITM-EX 2018:82 Innovation through Additive Manufacturing Dennis Ståhl Siyu Guo Approved Abstract Examiner Ulf Sellgren Commissioner KTH Maskinkonstruktion Supervisor Ulf Sellgren Contact person Ulf Sellgren Additive manufacturing, AM, is a technique that is developing in an incredible pace. Conventional manufacturing methods, like lathe turning or casting for instance, are limited when it comes to creating products with complex geometries, in these cases AM is a good complement. Previously though, material characteristics like tensile strength and yield point is something that AM has been compensating with. But in the current rate of development, the AM-technique can soon replace most conventional manufacturing methods completely. The purpose of this project is to describe the possibilities in AM today and what could be expected in the future. Since complex geometries is not a problem with AM, the products can be produced in only one step compared to conventional methods where it often takes several steps to produce a product. AM with metal is something that is developing fast and there are already many different methods, for instance Selective Laser Sintering, Selective Laser Melting, Beam Metal Deposition, Electron Beam Melting and Binder Jetting. These methods use different techniques to create prototypes and they all have their pros and cons what matters cost, strength and working speed. Tools in all forms are examples of products that requires high performance and a long life-span. To integrate the requirement of high performance and the possibilities with complex geometries through AM, a twisted drill with internal cooling channels is produced in this project. The internal cooling channels are shifting in diameter to optimize the inlet of coolant and at the same time increase the outlet. As mentioned earlier there are many different methods for AM in metal. The method that is considered the best for this purpose is Selective Laser Melting since this method creates compact metal products with high strength. A 3D-model of the twisted drill was created in Solid Edge ST9 and was then analyzed in ANSYS Workbench to see the impact of the internal cooling channels during use of the drill. The results show that the total deformation is 0,68μm and maximum tension is 33,95MPa, both in the middle of the drill. Neither the total deformation or the maximum tension 4

6 reaches a critical limit and therefor the drawn conclusion is that this model would reach the requirements given to a drill. The development of new methods in AM with metal is going fast and in a near future the new techniques will have increased in working speed so much and be price effective enough to replace most of the conventional manufacturing methods completely. Keywords: Additive manufacturing, cooling, innovation, metal, twist drill. 5

7 NOMENKLATUR Beteckningar Symbol HB S d Beskrivning Brinellhårdhet (HB) Matningshastighet (mm/varv) Borrdiameter (mm) Begrepp Begrepp Beskrivning Stödmaterial Material som används som stöd för konstruktioner med mycket överhängande material, detta tas bort vid efterbearbetningen. 3D-printa Ett samlingsbegrepp för additiv tillverkning. Kommer från engelskans 3Dprinting. Inert miljö En miljö där kemiska reaktioner sällan uppstår. Förkortningar CAD CAE PLM AM SLS SLM EBM BMD ADAM RPM Computer Aided Design Computer Aided Engineering Product Lifecycle Management Additive Manufacturing Selective Laser Sintering Selective Laser Melting eller Fullständig smältning Electron Beam Melting Beam Metal Deposition Atomic Diffusion Additive Manufacturing Rotation per minut 6

8 INNEHÅLLSFÖRTECKNING SAMMANFATTNING 1 ABSTRACT (ENGLISH) 4 NOMENKLATUR 6 INNEHÅLLSFÖRTECKNING 7 1 INTRODUKTION Bakgrund Syfte Avgränsning Metodik 11 2 REFERENSRAM Selektiv lasersintring, SLS Elektron Beam Melting, EBM Beam Metal Deposition, BMD Jetting Spiralborr Markforged & Atomic Diffusion Additive Manufacturing 20 3 GENOMFÖRANDE OCH RESULTAT 22 4 DISKUSSION OCH SLUTSATSER Diskussion Slutsatser 26 5 REKOMMENDATIONER OCH FRAMTIDA ARBETE 27 6 REFERENSER 28 7

9 8

10 1 INTRODUKTION Detta kapitel beskriver bakgrund, syfte, avgränsning och metod för det utförda examensarbetet. 1.1 Bakgrund Konventionella tillverkningsmetoder, såsom exempelvis formgjutning eller svarvning, har använts inom de flesta branscher sedan urminnes tider. Metoderna bygger ofta på att subtrahera material från ett arbetsstycke eller gjuta material i en gjutform. Konventionella metoder är dock väldigt begränsade när det kommer till formgivning av produkter. Begränsningarna märks av när produkten som ska tas fram innehåller delar som är dolda eller svåråtkomliga oavsett vilket arbetsplan som används. I dessa fall delas produkten upp i flera delar om sedan monteras ihop. Detta tar tid, kostar mycket pengar och kräver kunskap inom produktionsbandsoptimering. Med additiv tillverkning är dessa begränsningar eliminerade och det är nu möjligt att tillverka produkter som tidigare bestått av flera hopmonterade delar, nu istället som ett enda stycke. Additiv tillverkning, som vanligtvis kallas 3D-printing, är som det låter en metod där material adderas till modellen snarare än att subtraheras. Med hjälp av en 3D-CAD modell, som är exporterad till 3Dprinterns mjukvara, printas ett lager med smält material ut enligt formen på produktens bas och därefter printas ett nytt lager ovanpå det, detta kallas ofta lager-på-lager-teknik. I figur 1 nedan visas hur en sfär är tillverkad i en 3D-printer. Figur 1. En sfär tillverkad med lager-på-lager-teknik. Additiv tillverkning, AM, var från början endast möjlig i polymera material men går nu även att utnyttja för tillverkning i metall. AM i metall har tidigare varit möjligt men materialegenskaperna har inte varit lika bra som konventionellt tillverkade metallprodukter. I figur 2 visas ett träddiagram över olika additiva tillverkningsmetoder i metall. 9

11 Figur 2. Träddiagram över olika metoder för AM i metall. Metoderna är många och likaså fördelar och nackdelar. I kapitel 2, Referensram, beskrivs några av dessa metoder. I dagsläget är det fortfarande många nackdelar med att masstillverka i AM och därför är det endast något som används vid individanpassade produkter eller enstaka specialdesignade produkter. Detta på grund av att det är dyrt med både maskiner och material samt att det tar lång tid att tillverka en enda produkt. Även storleken på produkterna är något som begränsar mycket av tillverkningen då 3D-printers arbetsyta ofta är relativt små. 1.2 Syfte I denna rapport kommer en utvärdering av AM i metall att göras genom framtagningen av en spiralborr med invändiga kylkanaler. Effektivisering av fabriker och optimering av produktionsband är något som företag kämpar med varje dag. Om de konventionella tillverkningsmetoderna skulle kunna bytas ut mot additiva tillverkningsmetoder så skulle framtidens produktionslinjer vara mer ekonomiska, ta mindre plats, kräva mindre uppsyn och gå mycket snabbare. Då tekniken går framåt med stormsteg så är syftet med rapporten att redogöra vad som är möjligt att tillverka i 3D-printad metall, dels i dagsläget men även redogöra potentialen för framtida tillverkning i metall. Verktygsstål kräver hög prestanda och måste klara stora påfrestningar samtidigt som livslängden måste nå förväntningarna. Därför är det en metallborr med invändiga kylkanaler som tas fram i denna rapport. 10

12 1.3 Avgränsning Denna rapport avser endast framtagning och analys av en borr med invändiga kylkanaler. Det innebär att framtagningsmetoderna och beräkningar av materialdata endast är framtaget för detta ändamål. För att kunna applicera detta till annan produktframtagning bör nya beräkningar göras. Vidare så kommer beräkningar av strömningsmekaniken på borren att uteslutas. Detta på grund av att strömningen beror på dels vilket kylmedel som väljs och dels vilket material som ska bearbetas med borren. Den ekonomiska aspekten kommer nämnas men någon djupare beräkning eller optimering av detta kommer inte beaktas. Detta på grund av att det är en föränderlig aspekt som inte går att fastställa exakt. 1.4 Metodik Informationssökningen kring de tillverkningsmetoder som finns till förfogande idag har skett genom diverse artiklar och hemsidor på internet. Mer detaljerad beskrivning av dessa finns i kapitel 6, Referenser. Den virtuella 3D-modellen av spiralborren med invändiga kylkanaler gjordes i CAD-programmet Solid Edge ST9. För att simulera total deformation och spänningar i borren användes Ansys Workbench 17.1 på den tidigare skapade 3D-modellen. Vidare togs diverse fysiska prototyper fram i en high performance 3D-printer, Zortrax M

13 2 REFERENSRAM Additiv tillverkning i metall kan göras på många olika sätt. Detta kapitel kommer beskriva några av dessa metoder. 2.1 Selektiv lasersintring, SLS Selektiv lasersintring är en modern tillverkningsmetod som uppfanns i mitten av 1980 talet vid Texas Universitet av Dr. Carl Deckard och Dr Joe Beaman. Tekniken baseras på att sammanfoga bindningsmaterial i pulverform vid en pulverbädd med hjälp av en högeffektiv laserstråle. Lager för lager smälts pulvret och på så sätt kan relativt starka produkter med hög hållfasthet skapas. En fördel med metoden är att pulvret agerar stödmaterial, så utsättning av stödmaterial kan minskas eller tas bort helt under utskriften. Tekniken kan printa i metaller, polymerer, keramer och de flesta andra material som kan produceras i sintervänlig pulverform. Efter denna tekniken har en del andra variationer vuxit fram som baseras på just denna, bland annat selektiv lasersmältning som är en annan vanlig metod. Namnen på de två metoderna indikerar på den främsta skillnaden mellan dem, selektiv lasersintring sammanfogar material genom att hetta upp den till en temperatur precis under smältpunkten medan selektiv lasersmältning sammanbinder material genom fullständig smältning av råmaterialpulvret. Tekniken i korthet Både selektiv lasersintring och selektiv lasersmältning ingår i undergruppen pulverbäddsteknik av additiva tillverkningsmetoder, se figur 2 för de olika indelningarna. Figur 3 visar en schematisk bild över hur processen selektiv lasersintring går till. Figur 3. Schematisk bild över selektiv lasersintring. 12

14 Processen utförs i en sluten kammare fylld med en inert gas som inte reagerar kemiskt med omgivningen, vanligtvis kväve eller argon. Detta minimerar oxidationen av råmaterial under förloppet. Pulvret i byggplattformen hålls på en konstant temperatur strax under smältpunkten. Denna process är nödvändig för att minska effekten som krävs av lasern för sintringen samt undvika skevning under utskriften (Gibson, 2010). Först breds det ut ett mycket tunt lager råmaterialpulver på arbetsytan med hjälp av en roterande vals eller skrapa, lagren har vanligtvis en tjocklek på 20 m m (Herzog, 2016). Det förvärmda pulverlagret sammanfogas till önskad form med hjälp en laserstråle som styrs av en galvanometer, det omgivande pulvret förblir opåverkat och agerar stöd för nästkommande lager, se figur 4. Att ha stödmaterial på detta sätt sparar både tid under 3D-utskriften och vid efterbehandlingen av slutprodukten. När ett lager är färdigkonstruerat förflyttas byggplattformen ner ett pulverlager långt och ett nytt lager pulver breds ut med hjälp av valsen. På så sätt repeteras processen lager för lager tills den önskade produkten fås. Överflödigt pulver rensas sedan bort och eventuella efterbehandlingar behövs för att uppnå kvalitén som eftersträvas, exempelvis ytfinhet och hållfasthet. Variationer Figur 4. Pulvret som ej sintras agerar stödmaterial för produkten. Med klassisk selektiv lasersintring menas oftast fastfassintring, vilket innebär att sintringen sker på en temperatur precis under materialets smältpunkt och på så sätt behåller pulvret sin fastfas utan att smälta. Senare kom det en hel del varianter av tekniken, bland annat smältfassintring och fullständig smältning och skillnaden ligger huvudsakligen i hur sintringen sker. Smältfassintring, som även kallas partial melting, innebär att en del beståndsdelar förblir smält och andra delar förblir i fast fas. De smälta beståndsdelarna fungerar som lim mellan partiklarna och på så sätt binds de samman. Fördelen med metoden är således att material med höga smältpunkt kan bindas 13

15 ihop med hjälp av partiklar som har låg smältpunkt och på så sätt slippa smälta eller sintra de partiklarna med hög smältpunkt. Den andra varianten är så att kallad fullständig smältning eller full melting (SLM). De två ovan nämnda varianterna av lasersintring ger upphov till mer eller mindre porositet i slutprodukten på grund av att pulvret inte kan övergå till fullständig smältfas. Därför kan fullständig smältning producera starkare produkter med hög densitet tack vare reducerad porositet i materialet. Begränsningar Nästan allt material som går att producera i pulver och går att sintra kan användas i selektiv lasersintring för 3D-printing, även material med hög reaktivitet i och med att processen sker i en inert miljö. Speciellt välanpassade material för selektiv lasersintringen är termoplaster då de har låga smältpunkter samt låga termiska ledningsförmågor (Gibson, 2010). Med selektiv lasersintring kan komponenter med mycket komplexa geometrier tillverkas, såsom interna kylkanaler exempelvis, som annars inte skulle vara möjligt med konventionella tillverkningsmetoder. Selektiv lasersintring, i både fastfas och smältfas, har generellt sett sämre ytfinhet än fullständig smältning på grund av de små porerna som bildas under sintringen. Trots detta så har metoden en relativt hög ytfinhet jämfört med andra additiva tillverkningsmetoder. Ytfinheten är tätt förknippad med driftsmiljön under operationen samt kornstorlek på pulvret. Finare korn ger högre ytfinhet och mer precisa slutprodukter men är svårare att manövrera vid utbredningen av tunna lager och är i stort sett mer komplicerad att hantera. Grövre partiklar blir uppenbarligen lättare att bearbeta samt billigare att producera och leverera men sker på bekostnad av produktens ytfinhet, minsta möjliga lagertjocklek och mått på slutprodukten (Gibson, 2010). Metoden är en av de mest kostsamma metoder bland additiva tillverkningsmetoder på grund av den inerta operationsmiljön. 2.2 Electron Beam Melting, EBM En annan metod som också ingår i pulverbäddstekniken är electron beam melting. Metoden utvecklades vid Chalmers Tekniska Högskola och vidareutvecklades av företaget Arcam AB och kommersialiserades år 2002 (Arcam, 2018). Processen liknar SLS vid fullständig smältning men istället för en laserstråle så använder elektron beam melting en högeffektelektronstråle för att smälta råmaterialpulver. Sedan finns det även en hel del andra skillnader mellan dessa metoder. Tekniken i korthet I elektron beam melting breds råmaterialpulver ut på samma sätt som vid SLS med en roterande vals och lagertjockleken ligger vanligtvis mellan 50 m m (Herzog, 2016) vilket är dubbelt så mycket som i SLS. Processen kan ske snabbare än övriga metoder men som man också kan förvänta sig så blir ytfinheten och noggrannheten i metoden sämre jämfört med selektiv lasersintring. Istället för en inert miljö så värms pulvret i kammaren upp under vakuum, på så sätt 14

16 minskas restspänningar som kan uppstå på grund av inre temperaturskillnader (Arcam, 2018). Sedan byggs komponenten upp lager för lager på ett likartat sätt som vid selektiv lasersintring tills en färdig produkt fås. En schematisk bild över metoden visas i figur 5. Begränsningar Figur 5. Schematisk bild över processen elektron beam melting. På grund av att en elektronstråle används så är metoden begränsad till vilka material som kan användas, begränsningen ligger i att pulvret i EBM måste vara elektriskt ledande (CES Edupack, 2017). Således kan endast ledande material användas i EBM medan laserstrålarna i SLS kan användas på alla sorters material som kan absorbera energi vid samma våglängder (Gibson, 2010). Elektronstråle är generellt sett mycket effektivare än laserstråle men ytfinheten och noggrannheten i metoden är som tidigare nämnts sämre än SLS. 2.3 Beam Metal Deposition, BMD Beam Metal Deposition ingår i en annan indelningsgrupp av additiva tillverkningsmetoder som kallas extruderingsteknik. Metoden går ut på att först smälta själva arbetsstycket med hjälp av en 15

17 högeffekts laserstråle eller en elektronstråle och samtidigt applicera pulvret genom ett munstycke under tryck och på så sätt byggs den eftersträvade geometrin upp lager för lager. På samma sätt som tidigare genomgår den färdigprintade komponenten eventuella efterbehandlingar. Metoden kan utnyttja både råmaterial i pulverform och i trådform vid utmatningen ur munstycket. Figur 6 visar en principskiss för processen baserad på elektronstråle. Figur 6. Principskiss för BMD-process från företaget Sciaky. Fördelen med metoden är att den kan producera relativt stora komponenter och relativt snabbt jämfört med andra additiva metoder, se tabell 1. Enligt företaget Sciaky, som är världsledande inom 3D-printing, kan de producera komponenter med storlekar som kan gå ända upp till 5,79 x 1,22 x 1.22 m (Sciaky Inc, 2018). Tekniskt sett lämpar sig metoden för alla material som är svetsbara, dock kan begränsningar ligga i de material som reflekterar stor mängd av laserstrålarna eftersom risken att matningsmunstycket blir överhettat då är stor. 2.4 Jetting Jetting är en metod i kategorin droppteknik. Tanken härstammar från bläckstråleskrivarna och den mest kända varianten är så kallad binder jetting. Den påminner mycket om pulverbäddstekniken men istället för att smälta råmaterialpulver så sammanfogas pulvret med bindningsmaterial som droppas från ett skrivarhuvud, se figur 7. Bygghastigheten varierar stort beroende på vilket material som används samt komponentens komplexitet. Det finns en mängd olika kombinationer mellan material och bindningsmedel som är möjlig för denna metod. Slutprodukten har hög ytfinhet dock rätt så porösa strukturer (CES Edupack, 2017). 16

18 Bygghastighet [cm 3 /h] Surface finish Ra [ m] Byggvolymen [mm] Figur 7. Binder jetting Tabell 1. Relevanta data för de olika metoderna. Källa: CES Edupack 2017 SLS (metall och keramer) SLM EBM BMD Binder jetting >25 >25 >6 100x100x80 till 400x400x400 50x50x80 till 630x400x x200x180 till 350x350x x100x100 till 5790x1220x1220 (Sciaky) 40x60x35 till 1800x1000x Spiralborr Borrning är en skärningsprocess där man med hjälp av en borr avlägsnar material för att skapa ett cirkulärt hål i ett fast material. Borrning är den snabbaste och mest ekonomiska metoden för skärning av hål. Metoden kan användas för att borra hål i metaller med en hårdhet under 475 HB samt keramer, glas och polymerer (CES Edupack, 2017). En spiralborr är ett borrhuvud utrustat med en eller flera skäreggar och en eller flera spiraler för transport av spån. Spiraler används oftast i borrning av metall och trä. För borrning i material såsom sten och keramik krävs borr i volframkarbid eller skäreggar av diamant och då bryts material istället för att vara spånbrytande. För borrning i olika material ställer det olika krav på verktyget, valet av spiralborr med lämplig specifikation är därför viktigt. Primärskäreggen (Main cutting edge) är den del som tar över själva borrningsprocessen, se figur 8. En spiralborr med två spiraler har alltid två primärskäreggar bundna med ett tvärskär. Längre 17

19 primärskäregg ger generellt högre skärningsprestanda (RUKO, 2018). Tvärskäret (cut chisel edge) är beläget i mitten av borrspetsen och har ingen skärande effekt. Vid borrning är tvärskäret i kontakt med borrmaterialet först och det är tvärskäret som utsätts för störst del av den matningskraft och friktion som uppstår under borrning (Minukhin, 2013). Spetsvinkeln (Point angle) är vinkeln mellan två primärskäreggar, se figur 8. Figur 8. Grundläggande parametrar på en spiralborr. Hårdare material kräver större spetsvinklar medan mjukare material mera spetsiga vinklar. Se figur 9 för de fyra vanligaste spetsvinklarna. Figur 9. De fyra mest vanliga spetsvinklarna för spiralborr. Spiralvinkeln (helix angle) mäter vridningen av borrspiralen och är den del som styr spånformningen. Standardvärde för spiralborrar ligger på 30 grader, så kallad standardhelix, och är den mest effektiva vinkeln för spånutstötning (Marlow, 2010). Kylning Vid borrning i metaller utsätts spiralborrspetsen för höga mekaniska- och termiska belastningar. Detta på grund av att omgivande luft har låg termisk konduktivitet och ger därför ingen stor kyleffekt vid borrning med höga matnings- och skärningshastigheter. Vid sådana situationer utnyttjas istället kylmedel som då kan leda bort värme snabbare. Utöver sin kylningseffekt kan applicering av kylmedlet öka skär- och matningshastighet, minska friktion och verktygslitage samt hjälpa till att transportera bort spånmaterial (Wikipedia, 2018). Vid extern kylning sprutas 18

20 kylmedlet ut från ett munstycke under högt tryck och stor volym och riktas direkt mot borrzonen, se figur 10. Figur 10. Extern kylning vid borrning. Ibland har dock det externa kylmedlet svårt att komma in och forsla bort spånmaterial från borrhålet, speciellt då hålet blir djupare relativt borrens diameter. Detta kan orsaka verktygslitage och bräckage och medför reducering av verktygets livslängd (Wikipedia, 2018). Därför har man senare utvecklat en ny typ av kylningssystem, så att kallad through-tool coolant system kylning genom verktyget. Spiralborr med invändiga kylkanaler intern kylning Spiralborrar med invändiga kylkanaler föredras för att undvika spånstockning, speciellt vid långa spånbildningar och vid borrning av djupa hål (relativt borrens diameter). Den har vanligtvis två invändiga kanaler som börjar längst in vid skaftet och sträcker sig ända ut till borrspetsen, se figur 11 för en detaljvy av en spiralborr med två kylkanaler. Vid borrning av djupa hål finns risken att spånmaterial fastnar i borrhålet. Spånmaterial kan medföra att hålet blir överdimensionerat, förstöra hålets ytfinhet samt orsaka skada på borren. Genom att utnyttja denna typ av spiralborr med kylkanaler kan förbättrade resultat av spånbortforsling uppnås jämfört med extern kylning. Detta resulterar i att arbetsstycket får finare yta, hålet får högre dimensionell noggrannhet samt att verktyget får förbättrad livslängd. Figur 11. Detaljvy av en spiralborr med invändiga kylkanaler. 19

21 I artikeln Påverkan av temperaturen vid borrning av fiberglas med olika kylmetoder av Jessy K. m.fl., förklarade författarna att vid intern kylning reducerades den genomsnittlig temperaturen i borren med ca 76 procent jämfört med torrborrning och ca 66 procent jämfört med extern kylning. Därav följer en reduktion i flankslitage och förbättrad verktygslivlängd med ca 44 procent jämfört med torrborrning och ca 25 procent jämfört med extern kylning (Jessy, 2014). Man kan därför se att det är väldigt fördelaktigt med invändiga kylkanaler. Spiralborrar med invändiga kylkanaler kan idag tillverkas med konventionella metoder. En av tillverkningsmetoderna går ut på att först tillverka en cylindrisk stav och genom staven borras två parallella kanaler som sedan ska bli kylkanaler. Staven monteras fast i båda ändarna och kroppen hettas upp med hjälp av en induktionsspole. Samtidigt vrids stavens ena ände (toppen) ett bestämt antal varv medan den andra änden (skaftet) hålls fast. Kanalerna inuti staven kommer nu att vara spiralvridna och staven reducerad till sin slutgiltiga diameter. Notera dock att vid skaftet är kanalerna fortfarande raka. Med hjälp av de raka kanalerna vid skaftet som referens kan spiralspåren bearbetas fram genom skärande bearbetning (Tukala m.fl., 1997). 2.6 Markforged & Atomic Diffusion Additive Manufacturing, ADAM Vad är det? Företaget Markforged lanserade, september 2014, världens första 3D-printer för kompositmaterial (Eitel, 2014). Denna 3D-printer, kallad Mark One, hade kapacitet att tillverka kompositmaterial som var tjugo gånger styvare och fem gånger så starkt som ABS-plast, samt hade högre strengthto-weight ratio än 6061-T6 aluminium. Detta var revolutionerande för industrin inom additiv tillverkning då det tidigare inte varit möjligt att tillverka i kompositmaterial. Under 2017 lanserade samma företag en ny typ av 3D-printer, Metal X, som använde liknande teknik fast kunde tillverka i metall. Denna printer revolutionerade marknaden för AM i metall då det blev möjligt att tillverka produkter i metall med samma materialegenskaper som konventionellt tillverkade produkter i metall. BETA-versioner av verktygsstål började även tas fram och beräknas bli lanserat under 2018 (Markforged, 2017). Hur fungerar det? Tekniken som används i denna typ av 3D-printer kallas ADAM, Atomic Diffusion Additive Manufacturing, och är en blandning mellan konventionell formgjutning och 3D-printing. Efter det att 3D-CAD modellen har exporterats till printerns mjukvara så printas metallpulvret, som är sammanbundet av plast, ett lager i taget. Modellen är även automatiskt förstorad i en skala som gör att modellen får rätt proportioner efter att krympningen har inträffat. Modellen rensas sedan från eventuellt kvarvarande plastbindning för att sedan gå vidare till sintringen. När sintringen är klar så är all plastbindning borta och kvar är en metallprodukt med samma egenskaper som en metallprodukt tillverkad med konventionella metoder. 20

22 Fördelar och nackdelar Med denna nya typ av AM i metall är det möjligt att tillverka solida produkter i metall utan att kompromissa med materialegenskaper som till exempel sträck- och brottgräns. Materialen går alltså att utnyttja till samma ändamål som konventionellt framtagna material. Nackdelen däremot är att metoden är så pass ny att det inte finns någon dokumenterad data över hur produkter åldras och påverkas av arbetet över tid. Denna metod är en potentiell ersättare för dagens AM-metoder i metall men är än så länge ingenting som bör ersätta befintliga metoder helt och hållet på grund av den bristande kunskapen. 21

23 3 GENOMFÖRANDE OCH RESULTAT Baserat på den information som samlats i tidigare kapitel, Referensramen, så anses AM-metoden SLM, Selective Laser Melting (eller Fullständig smältning), vara den metod som är bäst lämpad för att tillverka denna spiralborr. Detta tack vare den kompakta materialstrukturen och de goda materialegenskaperna. Varför exempelvis inte ADAM ansågs vara lämpligt är på grund av att det är en metod som ännu inte etablerats på marknaden och informationen kring hur produkterna påverkas över tid är väldigt begränsad. Första steget var att ta fram en virtuell modell av spiralborren med invändiga kylkanaler i CADprogrammet Solid Edge ST9. De mått som användes i modellen är mått från en standardtyp som var tagna från Edeco:s datablad (Edeco, 2018). Borren hade en längd på 160 mm och en diameter på 8 mm. Spiralborren var utrustad med två stycken skäreggar och två kylkanaler med en diameter på 1,3 mm samt två spiralspår för utstötning av spånmaterial, se figur 12. Figur 12. Virtuell modell av spiralborren med invändiga kylkanaler. Tanken var att borren skulle bearbeta AISI 1020 low carbon steel, d.v.s. SS1450 stål, därför valdes en spetsvinkel för tuffa material, en vinkel på 135 grader. Spiralvinkeln ansattes till att vara en standardhelix på 30 grader och som material i borren valdes kolstål. Kolstål, som är ett billigt men relativt mjukt material, löper en risk för överhettning och för att undvika detta måste effektiv kylning appliceras under borrningen (VMS, 2018). För att maximera kylarean så ökades diametern på kylkanalerna till största möjliga mått och detta gjordes med hjälp av analysen av modellen i Ansys Workbench. För att utföra analysen behövdes den totala belastningen som spiralborren utsätts för, vridmomentet och trycket i kylkanalerna under borrning tas fram. Först togs belastningen på borren fram genom att beräkna matningskraften Fthrust från borren. Det finns en hel del variationer av den empiriska modellen för beräkning av matningskraften. Nedan är en formel tagen från Machine Design Data Book and 22

24 Metal cutting theory enligt det vetenskapliga arbetet om Thrust force prediction in drilling av P.Kishore Kumar m.fl. (Kumar. m.fl 2013), Fthrust = ,195 HB * S d + 0, 0022 HB * d, där HB är brinellhårdhet, S är matningshastighet för borren och d är borrens diameter som är 8mm. Brinellhårdheten för SS1450 är tagen från CES Edupack som medelvärdet mellan det lägsta och högsta värdet och är 385 HB. Spiralborren roteras med 1000 rpm och matas in i arbetsstycket med en hastighet på 0,12mm/varv. Den totala matningskraften blev då 1580,97 N och det är denna kraft som antogs att spiralborren ska utsättas för under borrningen. För att ta fram påfrestningarna på borren exporterades CAD-filen till ANSYS Workbench. De krafter som applicerades var en reaktionskraft från arbetsstycket på 1580,97 N, ett varvtal på 1000 rpm och en simulering av kylmedlets flöde genom de två kylkanalerna. Kylmedlet under simuleringen antogs vara vatten med densiteten 997kg/m 3 och flödas in i kylkanaler med en hastighet på 15m/s samt under trycket 50 bar. Tvärsnittet på kylkanalerna utökades under analysen, från ett värde på 1,3 mm i diameter till det nuvarande 2 mm medan tvärsnittet vid utloppet behölls på 1,3mm i diameter. Syftet var då att kunna öka flödet vid utloppet på grund av inkompressibel strömning och på så sätt effektivisera kylningen samt bortforsling av spånmaterial vid borrning, se figur 13. I figur 14 visas tryckfördelningen i borren orsakad av kylmedlet. Figur 13. Flödet av kylmedlet i kylkanalerna samt detaljvy vid utloppet. 23

25 Figur 14. Tryckfördelningen orsakad av kylmedlet. Resultaten för simuleringen av påfrestningar, den sammanlagda totala deformationen och påkänning orsakad av arbetsstycket, kylmedlet och rotationen under borrningen, visas i figur 15 respektive 16 nedan. Den maximala deformationen hittades vid mittersta delen av borren och hade ett värde på 0,68 m, se figur 15. Figur 15. Total deformation för spiralborren under operation. Den största spänningen i spiralborren under borrning låg på 33,95MPa och återfanns där markeringen visar i figur

26 Figur 16. Spänningar i spiralborren under operation. 25

27 4 DISKUSSION OCH SLUTSATSER Detta kapitel kommer ta upp tankar och diskussioner kring projektet samt de slutsatser som har dragits. 4.1 Diskussion Från resultatet kunde man se att den totala deformationen ligger på 0,68 μm vilket är väldigt litet. Denna deformation anses inte komma att ha stor påverkan på borren under borrningen och därför är denna maximering av kylkanalerna godtagbar. Dock måste man vara kritisk till ett ökande mått på kylkanalerna på grund att det kan leda till bristande hållfasthetsegenskaper. Eftersom att borrar med invändiga kylkanaler redan finns att tillgå så är det viktigt att poängtera fördelarna med AM. Dessa fördelar är främst att optimeringen av kylarean kan vidgas till att inte bara innebära en förstoring av tvärsnittsarean, utan även en förändring av geometrin på kanalerna. En del förenklingar har gjorts vid beräkningar och simuleringar. Detta kan leda till att resultaten kan skilja från de verkliga. Detta projekt var avsett att handla om additiv tillverkning ur ett framtidsperspektiv genom att ta reda på olika förutsättningar för additiva tillverkningsmetoder. Det vill säga att spekulationerna kring potentialen för nya tillämpningar av material samt olika möjligheter är just spekulationer och inget annat. 4.2 Slutsatser Den framtagna borren skulle klara av de belastningar som beräknats. Den totala deformationen är så pass liten att ytterligare förstoring av kylarean kan genomföras. Additiv tillverkning är i dagsläget inte något som kan ersätta konventionella metoder helt och bör därför endast användas vid individanpassning och specialtillverkning. 26

28 5 REKOMMENDATIONER OCH FRAMTIDA ARBETE Problemet har endast analyserats i simuleringsprogrammet utan att i verkligheten kunna verifiera kyleffekten efter optimering av kylkanalerna. Därför rekommenderas det att göra experimentella tester på borren för att säkerställa att kyleffekten har optimerats. I denna rapport har endast optimering av kylarean gjorts genom förstoring av tvärsnittet på kylkanalerna, vilket innebar att potentialen för kyleffektens förbättring var väldigt begränsad. Med en mer annorlunda och komplex geometri av kylkanalerna kan en kraftig ökning av kylarean skapas och därmed ännu effektivare kylning, exempelvis en mer tätpackad spiral för kylkanalerna, se figur 17. Dessutom gynnas användningen av additiv tillverkning av ännu mer komplexa geometrier hos interna kylkanaler som vanliga konventionella tillverkningsmetoder inte klarar av. Figur 17. Exempel på hur en mer tätpackad spiral för kylkanalerna. Additiv tillverkning är något som utvecklas hela tiden och metoderna som används för AM blir bättre. Skulle denna borr tillverkas i framtiden är det möjligt att andra additiva metoder kan skapa en borr med liknande egenskaper och till ett billigare pris, därför bör en ny informationssökning göras när nya additiva metoder lanseras. 27

29 6 REFERENSER CES Edupack 2017, Drilling, Edeco Tool AB, Hårdmetallborr M6108, Eitel. E, Markforged: 5,000$ 3D printer prints carbon-fiber parts, Gibson I, Rosen D. W, Stucker B, Additive Manufacturing Technologies: Rapid Prototyping to Dirct Digital Manufacturing, 2010, New York. (Springer). Haas Automation Inc, Through-Spindle Coolant, Herzog D, Seyda V, Wycisk E and Emmelmann C, Additive Manufacturing of metals, 2016, Institute of laser and System Technologies, Hamburg University of Technology Germany. K. Jessy & S. Satish kumar & D. Dinakaran & V. Seshagiri Rao, Influence of different cooling methods on drill temperature in drilling GFRP, 2014, London. ( Marlow M. F, Machine Shop Know-How Chapter 4: Drilling, Reaming & Tapping, Markforged, Metal X Printer specifications, 3/ Minukhin I, An Improved Method of Cutting Forces Prediction for the Primary Cutting Edges of Twist Drills, P. Kishore Kumar. Dr. K. Kishore & Prof. P. Laxminarayana, Prediction of Thrust Force and Torque in drilling on Aluminum 6061-T6 Alloy, 2013, International Journal of Engineering Research & Technology. RUKO GmbH Precision Tools, 8 features of a twist drill and its functions, Sciaky INC, Electron Beam Additve Manufactring Technology, Tukala m.fl., United States Patent: Spiral Drill with Coolant Channels and Method to Manufacturing a Spiral Drill, Innehavare Sandvik AB, VMS, Virtual Machine Shop: Twist drill materials,

30 Wikipedia, Drilling, Wikipedia, Cutting Fluid, Figurer 1. Lunds tekniska högskola, Additiv tillverkning, CES Edupack 2017, Additive Manufacturing, Schematisk bild över selektiv lasersintring - Wikipedia Materialgeeza, 4. Schematisk bild över selektiv lasersintring - Wikipedia Materialgeeza, 5. Arcam AB, EBM Hardware, Sciaky inc., Sciaky s Electron Beam Additive Manufacturing (EBAM) process, CES Edupack 2017, Binder printing, RUKO GmbH Precision Tools Marlow M. F, Machine Shop Know-How Chapter : Drilling, Reaming & Tapping, Sandvik Coromant, Coolant, 2018, Stockholm Sandvik Coromant, Coolant, 2018, Stockholm. 29