Kuparin additiivinen valmistus laajenee jatkuvasti - mitkä ovat viimeisimmät suuntaukset ja miksi tämä materiaali voi mahdollistaa uusien sovellusten syntymisen?

Benjamin Delignon, AMEXCI:n innovaatiopäällikkö

Kahden viime vuoden aikana yhä useammat additiiviset valmistustekniikat ovat väittäneet pystyvänsä tulostamaan kuparia. Ensisilmäyksellä on nyt mahdollista valmistaa pienistä suuriin komponentteihin, jopa suurella tarkkuudella. Onko kuparin tulostaminen jo saavuttanut kypsän iän?

Kuparin painaminen - mitä sovelluksia varten?

Kupariseoksia on perinteisesti käytetty teollisuudessa sovelluksissa, joissa lämmön- tai sähkönjohtavuudella on suuri merkitys, kuten lämmönvaihtimissa tai käämeissä - usein monimutkaisilla muodoilla niiden toiminnan optimoimiseksi, mikä johtaa melko kalliisiin valmistusmenetelmiin. 

Lämmön- ja sähkönjohtavuus riippuvat suuresti valmistetusta materiaalista (esim. seoksen koostumus, tiheys, lämpöhistoria), mutta näitä toimintoja voidaan parantaa myös komponentin suunnittelulla: tässä Additive Manufacturing on merkittävässä asemassa. Monimutkaisia rakenteita ja muotoja voidaan nykyään valmistaa, ja vieläpä suhteellisen pienin kustannuksin verrattuna niiden tarjoamiin toimintojen parannuksiin. 

Kuparisovelluksia tuottavat AM-tekniikat

Tällä hetkellä on käytettävissä useita AM-tekniikoita, joilla voidaan valmistaa puhtaita kupari* komponentteja. Laser Powder Bed Fusion (vihreillä tai sinisillä lasereilla tai suuritehoisilla infrapunalasereilla) kamppailee laserin alhaisen lämpöabsorptiokyvyn kanssa, mikä monimutkaistaa tuotantoparametrien määrittelyä - mutta lupaavia tuloksia on jo saatavilla yrityksiltä kuten Trumpf, EOS ja viime aikoina Reinshaw. Mahdollinen ratkaisu saattaa löytyä myös jauheesta: ruotsalainen Graphmatec-yritys tutkii parhaillaan grafeenin lisäämisen vaikutusta, ja tulokset ovat erittäin lupaavia.

Entä elektronisuihkusulatus? Koska siinä ei käytetä lasereita, sillä ei ole samoja haasteita kuin LPBF:llä, mutta sillä on omat haasteensa - kuten rajallinen prosessi-ikkuna ja osan ympärillä olevan sintrattujen jauheiden poistaminen. Joitakin tuotteita on kuitenkin jo markkinoilla, esimerkiksi espanjalaisen 3D Inductors -yrityksen valmistamia induktorikeloja . Suurempien osien osalta, joissa tuottavuus on avainsana, kylmäruiskutusyritykset, kuten Spee3D, puskevat rajoja ja saavat yhä enemmän kiinnostusta, kuten niiden asennettujen koneiden määrän kasvu osoittaa .

Toisaalta pienten osien osalta Metal FDM ja Metal Binder Jetting -tekniikat ovat lupaavia lupauksia erittäin tarkkojen osien valmistuksessa. Digital Metal ilmoitti juuri kuparin lisäämisestä materiaalivalikoimaansa, ja Markforged Metal X -koneita on jo asennettu ympäri maailmaa. 

Koneita ja raaka-aineita on saatavilla - mutta ovatko ne teollisia ratkaisuja?

Osana erästä Multi Owner -hankettamme tutkimme eri AM-tekniikoiden materiaaliominaisuuksia, ja saimme erilaisia tuloksia. Tässä projektissa Metal FDM -näytteet valmisti SKF:n AM-asiantuntija Marcel Escursell Göteborgin tehtaalla. Hän suostui jakamaan palautettaan heidän koneestaan ja erityisesti kuparitulostuksesta:

Minkälaiset sovellukset johtavat tähän investointiin ja miksi juuri tämä Metal X -kone? 

Valitsimme MetalX:n, koska meillä oli jo hyviä kokemuksia MarkForged-komposiittitulostimista. Tavoitteenamme on pääasiassa työkalut, joskus tulostamme ei-toimivia prototyyppejä, mutta ei niin usein.

Milloin otit koneen käyttöön ja kuinka helppoa sen käytön opettelu oli? 

Asensimme tulostimen vuonna 2019, ja sen käytön opettelu oli melko helppoa. Se on kuitenkin huomattavasti monimutkaisempi käsitellä kuin polymeeri- tai komposiittitulostin, koska siihen liittyy kolme vaihetta: tulostus, sidoksen poisto ja sintraus. Koneen asentaminen kesti 2-3 päivää ja koulutus vain puoli päivää. Aiempi kokemuksemme auttoi, kun tiesimme, että ohjelmisto on sama kuin Markforgedin komposiittitulostuksessa (Eiger). 

Oletko yleisesti ottaen tyytyväinen koneeseen? 

Onnistuimme tulostamaan suunnittelemamme komponentit, mutta yllätyimme kokonaiskestosta (tulostaminen, sidonnan poisto, sintraus kesti yhteensä 1-2 viikkoa) ja tulostimen nopeudesta, joka on huomattavasti hitaampi kuin MarkForged-komposiittitulostimissa. Myös ylläpitokustannukset ovat korkeammat kuin komposiittitulostuksessa.

Millaista koneen kehitystä odotat?

Muiden metalli-FDM-toimittajien tapaan suuri askel läpimenoaikojen lyhentämiseksi olisi ohittaa sitomattomuusvaihe (pesu). Kun tulostetaan kiinteitä osia, sidoksen poisto kestää useita viikkoja, mikä on liian pitkä aika meidän tarpeisiimme. Suurempien osien tulostaminen olisi myös hieno lisä, mutta sintrausvaihe taitaa olla edelleen haaste.

Tällä hetkellä emme ole vahvistaneet MetalX:n maksimipotentiaalia. Tärkeimmät rajoitukset ovat kustannukset ja aika sekä komponenttien koko. Koska osastollamme ei ole CNC-konetta, MetalX:n käyttö ei ole tarkoituksenmukaista, kun koneistusta tarvitaan, koska kokonaisläpimenoaika on pitkä. Muiden komponenttien osalta Metal X:n käyttö on usein arvokas vaihtoehto.

Kuparin painaminen?

Kuten minkä tahansa AM-haasteen kohdalla, yksi ensimmäisistä kysymyksistä pitäisi olla: mitä varten? Miksi painaa kuparista? Komponentin toiminta, koko ja vaadittu tarkkuus suodattavat jo valmiiksi AM-materiaalien ja -tekniikoiden luettelon, jotka ovat yhteensopivia tarpeidesi kanssa. Näiden ensimmäisten teknisten näkökohtien ("onko se toteutettavissa?") jälkeen seuraa taloudellinen kysymys. Perinteisiin ratkaisuihin verrattuna AM on usein myös kalliimpaa - tämä pätee erityisesti kuparin tulostukseen, joka vaatii kalliita raaka-aineita. Sen korkeat kustannukset on kompensoitava korkealla lisäarvolla (lisäarvoilla), kuten toiminnallisilla parannuksilla (lämpö- tai sähkönjohtavuuden poikkeuksellinen parantaminen materiaaliominaisuuksien ja uudelleensuunnittelun avulla), lisäeduilla toimitusketjussa (esim. alhaiset MOQ-arvot, lyhyemmät läpimenoajat) ja muilla sovellus- ja yrityskohtaisilla parannuksilla -esimerkiksi komponentin hiilijalanjäljen pienentämisellä. Kuten aina AM:ssä, tämän kuparitulostusratkaisun globaalien vaikutusten hahmottaminen edellyttää kokonaiskuvan tarkastelua.

Teknologiat eivät ehkä kuitenkaan vastaa (vielä) tarpeitasi, mutta lukuisissa hankkeissa yritetään ratkaista tämä haaste, jotta saataisiin vihdoin luotettava, tarkka ja kypsä ratkaisu - tavallaan teollinen.

* Tässä artikkelissa tarkastelemme vain kaikkia materiaaleja, joita markkinoidaan "puhtaana kuparina" - emme esimerkiksi CuCrZr-seosta, joka on vakiintunut AM-avaruusteollisuudessa.

[hyödyllinen]