3D-print

3D-printsystem

3D-printning i metaller görs antingen genom att ha en platt pulverbädd och lokalt smälta materialet med laser eller elektronstråle, eller genom att avsätta pulver- eller trådmaterial och lokalt smälta det tillsatta materialet med laser eller ljusbåge. I detta projekt för att tillverka komponenter år företag används främst pulverbädd med selektiv lasersmältning kallad laserbaserad pulverbäddssmältning / laser based powder bed fusion -PBF-LB/M.  Det är en mogen teknik (”plug and play”) och används redan i produktionen på många ställen. I figuren nedan kan ett schema över PBF-LB processen ses, såväl som höghastighetsfotografier av bearbetningen (observera att laserljuset är osynligt här).

En guide för användande av en PBF-LB maskin och designstegen som föregår en utskrift kan hittas här: 2_1 Guide for metal printing_English

Processen kallas inte alltid PBF-LB (den nya standarden) eftersom många tillverkare skapat egna namn för sin tillverkning. Andra namn som kan hittas är bland andra SLM, LPBF och DMLS. En bra film som demonstrerar hur processen går till går att se i denna video.

Systemen som används i detta projekt är Aconity Mini (vid LTU), ett system från SLM solutions vid Future Manufacturing Technologies (FMT) vid Oulu Universitet, samt ett större hybridsystem vid universitetet i Narvik. Dessutom finns kapacitet för påsvetsningssprocess för större komponenter vid LTU, FMT och Arkhangelsk.

Direct Energy Deposition (DED)

Or Direct Metal Deposition (DMD) är ett alternativ för att skriva ut större komponenter. Här kan antingen tråd eller pulver användas och tillföres smälta skapad av laserstråle eller elektrisk ljusbåge och begränsas inte i storlek i samma omfattning som PBF-metoder. Dessa tekniker har högre deponeringshastighet och kan också bygga på redan befintliga komponenter för att lägga till nya funktioner eller funktionalisera/reparera ytor.

Materialegenskaper

Det finns några material som är certifierade (pulver) för PBF-LB processer, där vissa används oftare och med varierande priser. Exempel är:

  • Al-legeringar
  • Co- legeringar
  • Ni- legeringar
  • Ti- legeringar
  • Verktygsstål
  • Rostfritt stål

Materialegenskaperna är oftast väldigt goda för 3d-printade komponenter. Dock påverkas egenskaperna av flera parametrar, exempelvis som illustrerat nedan:

Utskriftskostnadsanalys för användande av PBF-LB process avslöjar att kostnader för materialet är sekundärt processkostnaderna. Exempelvis: maskinkostnadet 80€/timme, aluminium 48€/kg, 316L 43€/kg och titantium 300 €/kg.

Kostnader för titan per volymenhet är 4ggr högre än för 316L och 10ggr högre än för aluminium. Dock är materialkostnader bara en del av totala kostnaderna -> titanutskrivna delar kan vara billigare än att printa samma komponent i rostfritt stål (316L)!

Material & lagertjocklekUtskriftstid [h]Materialkostnade / delMaskinkostnad / del€ / piece
AlSi10Mg 60 µm5,020,14 €4,62 €4,76 €
AlSi10Mg 30 µm11,470,14 €10,54 €10,68 €
316L 50 µm26,630,36 €24,49 €24,85 €
316L 30 µm35,700,36 €32,83 €33,19 €
Titanium 50 µm22,751,44 €20,92 €22,36 €
Titanium 30 µm36,571,44 €33,62 €35,06 €

Ytfinhet

Ytfinheten påverkas mycket av pulverpartikelstorleken (eller trådbredd), men även orienteringen av arbetsstycket och den lagda lagertjockleken. I de flesta fall kan ytor poleras (eller sand-/glaskuleblästras) men det är inte alltid möjligt eller önskat. Ytkvaliteten är jämnare på den övre delen av en yta (på grund av smältning), jämfört med överhäng där halvsmälta pulverpartiklar smälts samman. Detaljupplösning är bäst på vertikala ytor (t.ex. rekommenderat för att producera text eller strukturerad grafik på komponenten).

FMT har undersökt användningen av 20 µm skikttjocklek i aluminium (AlSi10Mg) för att förbättra ytkvaliteten (partikelstorlek 20-65 µm). För små komponenter är god ytkvalitet viktigt. Utskriftstiden ökar, men ytjämnheten förbättras, med en möjlig Ra på 3,2. På den övre delen var ”huden” bäst när den hade 37% laserkraft jämfört med undre skikten, vilket också kan förbättras genom att lägga till små avfasningar. Mer information finns i denna rapport.

För DED-processer är ytan i allmänhet mer ojämn än PBF-tillverkade delar. Därför behövs efterbehandling (fräsning), särskilt om toleranserna för producerade komponenter är höga. För detta ändamål finns det även hybridmetoder, där DED och fräsning kombineras i en maskin för att kunna fräsa i vissa delar av komponenterna under konstruktionen (som annars skulle vara svåra att nå).

Stödstrukturer

Under 3d-printing är stödstrukturer viktiga under tillverkningen. Dessa strukturer behöver avlägsnas efter processning. De behöver också tillverkas och tar därför också tid och använder material, vilket ökar kostnader vid utskrift och ökar väsentligt efterbearbetningskostnader (avlägsnandet av stödstrukturerna).

Viss kunskap om processen behövs när man utformar dessa. Medan mängden stödstruktur hålls låg och gör den lätt att ta bort under efterbearbetning, ska den ändå vara placerad tillräckligt bra för att förhindra fel på stödet eller deformation av delen. Vanliga strategier involverar rotation av komponenten och design för att hålla överhängen låga och arbetsstyckets vinklar vid vissa laterala vinklar. I den vänstra bilden nedan är komponenten tiltad för att minska mängden stöd som behövs, medan processinställningarna för stödstrukturen först var felaktiga, vilket ledde till deformation av komponenten. I den högra figuren beaktas vinklar genom hela arbetsstycket så att endast en minimal mängd behövs till byggplattan (behövs alltid).

Efterbearbetning

Förutom det nödvändiga steget att såga av utskrivna delar från byggplattan (inklusive slipning, polering och uppruggning av bottenplattan innan nästa byggnation) finns det ett antal efterbehandlingsverktyg tillgängliga. Beroende på komponenter krävs vissa medan andra är valfria:

  • Borttagande av stödstrukturer
  • Uppvärmning av komponenten för att minska spänningar som uppkommit under tillverkning
  • Valfri ytbearbetning, ex:
    • Fräsning
    • Sand eller glasskuleblästring
    • Peening
    • Gängning