Q2, 2022 - Additive Manufacturing Review: Metalli AM-teknologia

Maxime Legrand, innovaatiopäällikkö, AMEXCI

AMEXCI:n edellisessä neljännesvuosikatsauksessa ensimmäisellä neljänneksellä keskityttiin varaosien ajankohtaiseen aiheeseen additiivisessa valmistuksessa (AM) ja siihen, miten hajautettua tuotantoa voidaan hallita. Jatkamme neljännesvuosikatsauksiamme valottamalla metalliteknologioita, esittelemällä aiempaa ja viimeaikaista kehitystä ja ottamalla samalla askeleen taaksepäin ja asettamalla nämä uudet innovaatiot perspektiiviin.

80-luvulla additiivinen valmistus alkoi polymeeriteknologiana. Noin 15 vuotta myöhemmin oli metallin additiivisen valmistuksen vuoro. Laser Powder Bed Fusion (LPBF) -tekniikka, joka tunnetaan myös nimellä Selective Laser Melting (SLM), aloitti matkansa ensimmäiseltä yritykseltä, joka kaupallisti tällaisen tulostimen. Ensiaskeleissa keskityttiin tuottamaan korkealaatuisia osia, joiden tiheys on suuri. Ilmailu- ja avaruusteollisuus sekä lääketeollisuus havaitsivat ensimmäisenä tämän tekniikan mahdollisuudet, ja 10 vuotta sen debyytin jälkeen, noin vuonna 2010, julkaistiin ensimmäiset implantit ja lentosertifioidut osat. Lima Corporate valmisti lonkkaimplantteja jo vuonna 2007, ja GE Aviation sertifioi kuuluisan suuttimensa vuonna 2012 (katso kuvat alla). Näissä kahdessa esimerkissä keskitytään kevyisiin komponentteihin ja räätälöintimahdollisuuksiin, jotka ovat kaksi vahvaa lisäarvoa AM:lle yleensä.

Muita vuosien varrella kehitettyjä metallien AM-tekniikoita. Metal Binder Jetting (MBJ) -tekniikkaa alettiin kehittää jo 1990-luvulla, ja sitä käytetään nykyään nyrkkikokoisten komponenttien valmistukseen suuremmilla volyymeillä - vaikka se onkin toistaiseksi vielä luottamuksellista LPBF:hen verrattuna. Se eteni kuitenkin nopeasti 2000-luvulla muiden keskeisten metallien AM-menetelmäperheiden, kuten DED:n (Directed Energy Deposition), rinnalla. DED-perheeseen kuuluvat sellaiset alatekniikat kuin hitsaustekniikoihin perustuva Wire and Arc Additive Manufacturing (WAAM) ja korjausratkaisuista tunnettu Laser and Metal Deposition (LMD).

Tuottavuus ei johdu ainoastaan lasereiden määrästä
Nykyään LPBF on kypsynyt, ja suuntaus on hitaasti muuttumassa. Vaikka teknologia keskittyy tuottavuuteen, koneet ovat yhä suurempia ja niissä on enemmän lasereita. Investointikustannukset kasvavat tämän kehityksen vuoksi, mutta koneet tarjoavat käyttäjälle silti entistä tuottavampia additiivisia valmistusprosesseja. Kaksoislaserkoneesta on tulossa vakioratkaisu, jota tarjoavat esimerkiksi AddUpin, Farsoonin ja Renishaw'n kaltaiset konetoimittajat. Jotkin yritykset suhtautuvat tähän kilpailuun varsin vakavasti, kuten SLM 12 laserilla varustetulla koneellaan ja Velo3D 8 laserilla varustetulla koneellaan. Lasereiden määrän lisääminen tuo mukanaan lisää haasteita, kuten jäähdytysnopeudet ja monimutkainen jännityksen hallinta. Yritykset, kuten Seurat, tutkivat aluepainatusta ja yrittävät voittaa nämä haasteet.

Tällä hetkellä kehitteillä on muitakin tapoja parantaa koneen tulostusnopeutta. AMEXCI on esimerkiksi mukana Euroopan unionin rahoittamassa InShaPe-hankkeessa, jossa tutkitaan säteen muotoilun mahdollisuuksia muuttamalla laserpisteen kokoa, mikä mahdollistaa nopeamman skannausnopeuden. Tämä voisi olla mahdollisuus tulostaa nopeammin ja samalla pystyä tulostamaan hienoja piirteitä esimerkiksi hyvillä ääriviivaparametreilla.

Kerrospaksuuden lisääminen tarkoittaa usein tuottavuuden lisäämistä, mikä voidaan tehdä käyttämällä erilaisia lasereita. Energiansiirron lisääminen on mahdollista suuremmalla laserteholla ja räätälöidyllä laserin aallonpituudella. Olemme nähneet vihreitä lasereita kuparin painamiseen. Polymeeripainatusyritys Essentium kehittää yhdessä NUBURUn kanssa uutta konetta, jossa on sininen laser. Tämä avaisi mahdollisuuden tehokkaampaan energiankäyttöön, sillä se lisää energian absorptiokykyä joidenkin metallien osalta.

Tuottavuudessa ei kuitenkaan ole kyse vain itse koneesta. Tämän päivän kehittyvää teknologiaa täydennetään uusilla räätälöidyillä automaattisilla ratkaisuilla. Esimerkiksi BMW julkisti juuri uuden, täysin automatisoidun toimitusketjun sisältävän, "lights out" -tehtaan. Tällaisia täysautomaatioratkaisuja syntyy hitaasti, ja odotamme niiden yleistyvän lähivuosina digitalisaatiohankkeiden jatkuessa. Ne ovat olennaisia askelia teknologian kehityksessä ja hyviä esimerkkejä tulevaisuuden teknologioiden yhdistämisestä.

Tuottavuus ei liity ainoastaan LPBF-teknologiaan. Kylmäsuihkutuksen alalla Titomic pyrkii automatisoimaan kylmäsuihkutusprosessinsa muotin korjausta varten skannauksesta korjaukseen. Tällä hetkellä puuttuvat vaiheet ovat automatisoitu lastaus ja purku sekä muottien kiillotus. Eräs toinen yritys pyrkii nopeuttamaan materiaalin laskeutumista ja saavutti vaikuttavan laskeutumisnopeuden, joka on 18 kg titaania tunnissa.

Metallisideaineen suihkutuksen alalla painopiste näyttää edelleen olevan itse 3d-tulostusjärjestelmissä. Suurin osa viimeaikaisista uutisista koskee uusia, tuottavampia järjestelmiä. Myös materiaalipuolella halutaan tehdä halvempaa jauhetta tai tiheämpää jauhepetiä. Pölynpoisto- tai sintrausvaiheesta, jotka ovat kriittisiä vaiheita tässä prosessissa, ei ole kerrottu paljon. HP:n kone, joka luvattiin vuodelle 2021, on edelleen teoriassa suunnitteilla vuoden 2022 loppupuolelle.

Tulostusvaihetta pidemmälle meneviä haasteita ovat esimerkiksi ulkoistetut lämpökäsittelyt, kunnostettujen levyjen puute työn käynnistämiseksi ja ammattitaitoisten operaattoreiden puute erityisesti tietojen valmistelun osalta. Oikean tuottavuuden parantamisen lähteen tunnistaminen on pakollista, ja perinteisen teollisuuden työkaluja on jo olemassa ja ne toimivat hyvin, joten älä epäröi hankkia näiden "klassisten" tekniikoiden parhaita käytäntöjä.

Metallien AM:n saatavuuden parantaminen
Yksi metallitulostuksen keskeisistä ominaisuuksista ovat korkeat investointikustannukset. Teollisuus on alkanut pohtia, miten tämä ongelma voitaisiin ratkaista ja tehdä metallin AM:stä helpommin lähestyttävää. Yksi selkeä suuntaus, joka edistää metalli AM:n saatavuutta, on FFF-tulostimissa (Fused Filament Fabrication) käytettävien metallikuitufilamenttien kukoistus. Näitä teknologioita tarjoavat muun muassa Nanoe, Ultimaker, BASF ja Markforged. Polymeeritulostimet ovat paljon edullisempia kuin niiden metalliset vastineet, mikä tekee niistä houkuttelevia. Headmade on siirtynyt pois FFF-tekniikasta ja käyttää SLS-tekniikkaa ja sen korkeaa tuottavuutta metalliosien valmistukseen, mikä vaikuttaa lupaavalta.

Mitalin kääntöpuolena on se, että näillä tekniikoilla tuotetaan vihreitä osia, jotka joutuvat kohtaamaan pelätyn hionnanpoisto- ja sintrausvaiheen, joka voi johtaa moniin tarkkuusongelmiin ja halkeiluun. Toistaiseksi nämä teknologiat keskittyvät lähinnä prototyyppeihin ja työkaluihin.

Viime kuukausien merkittävimmät käyttötapaukset
Teknologian kehitys ja tuottavuus tasoittavat tietä uusille innovatiivisille tuotteille. Yksi vuoden 2022 alkupuoliskon merkittävimmistä metalli AM-käyttötapauksista on HYPERGANIC-osa. Hyperganic käyttää tekoälyyn perustuvaa suunnitteluohjelmistoa Aerospike-rakettimoottorin tuottamiseen, jonka EOS tulosti. Toinen todiste metalli-AM-kypsyydestä ja metalli-AM-osien käytöstä tulee Boeingilta, joka on käyttänyt yli 1000 AM-osaa yhdessä satelliitissa.

Johtopäätös
Metallien jälkikäsittelyssä keskitytään edelleen pääasiassa L-PBF:hen, jossa siirtyminen kohti suurempaa tuottavuutta jatkuu. Helpommin lähestyttävät järjestelmät, kuten suulakepuristukseen perustuvat tekniikat, ovat saamassa lisää vauhtia, vaikka ne ovatkin vielä melko rajallisia ja keskittyvät prototyyppien ja työkalujen valmistukseen.

Tietoja Maxime Legrandista

Maxime työskentelee innovaatiopäällikkönä AMEXCI:ssä, ja hänellä on seitsemän vuoden kokemus additiivisesta valmistuksesta keskittyen pääasiassa polymeeriteknologioihin useilla teollisuudenaloilla. Ota yhteyttä Maximeen ja innovaatiotiimiin, jos sinulla on kysyttävää.
Yhteystiedot: maxime.legrand@amexci.com