3DP I SVERIGE: Det svenska forskningsprojektet ADDING, en akronym för New generations Tools by ADDitive manufacturING, är ett initiativ som ska pröva om det går att 3d-printa pressgjutningsverktyg som används för att ta fram komponenter i metall. Målet är att korta ledtider, ge mer frihet vid formgivningen, vilket i sin tur ger mer effektiva verktyg.
– Om vi lyckas ta steget fullt ut till 3d-printning av verktyg så skapar det ett konkurrensförsprång för svenska pressgjuterier, säger Martin Risberg, avdelningschef på Swerea SWECAST.
Projektet delfinansieras av det strategiska innovationsprogrammet Metalliska material, en gemensam satsning av VINNOVA, Formas och Energimyndigheten. Projektet drivs av Swerea SWECAST och samarbetsparter är VBN Components, Mittuniversitetet, Richardssons Verktygsservice, Ankarsrum Die Casting och Jönköpings Tekniska Högskola.
ADDINGs projektledare Markus Börrisson är den som har fått projektet att flyta. Han har en bakgrund som forskningsingenjör och har även arbetat som både pressgjutare och konstruktör, två erfarenheter som lämpar sig väl för Swerea SWECASTs projekt.
– Gjutna komponenter är vårt huvudområde, säger Markus Börrisson. Swerea SWECAST är svenska gjuteriindustrins forsknings- och utvecklingsinstitut. Här arbetar vi med nästan alla gjutmetoder, allt från pressgjutning till sandgjutning. Vi arbetar även med materialfrågor, gjutsimulering och energi- och miljöfrågor.
Själva produkten som det 3d-printade verktyget producerat är en pressgjuten komponent i aluminium som ska användas i fordonsindustrin. 3d-printproduktionen gjordes av Mittuniversitetet i VBN Components patenterade material Vibenite. Man 3d-printade två typer av verktyg, men endast ett är provat. Detta verktyg är ett så kallat ”as-printed”, det vill säga ohärdat direkt från maskinen och det har jämförts med ett konventionellt tillverkat.
– Det är en mycket spännande och givande förstudie där vi nu även provgjutit i icke värmebehandlat material från VBN, säger Ulrik Beste, teknisk chef på VBN Components.
Pressgjutningen gjordes hos Ankarsrum Die Casting i Ankarsrum, strax utanför Västervik. Jörgen Henriksson, kvalitets- och produktionsteknisk chef, var med under hela produktionen.
– Just vår 3d-printade del är utbytbar bara för att det är så hög belastning i området, säger Jörgen Henriksson på Ankarsrum. Den sitter precis där metallen går in i detaljen.
– Den 3d-printade detaljen är egentligen en del av ett komplett tvåfacksverktyg med två identiska delar, säger Markus Börrisson. I vårt fall var ett 3d-printat och det andra traditionellt framtaget.
Det första uttaget i produktionen gjordes efter ett dygns produktion, då hade det gått 1000 skott. Här upptäcktes några mindre sprickor i den 3d-printade detaljen. Efter ett tag uppstod det även sprickor i den traditionella detaljen.
– Vi kunde se att sprickorna började på samma ställen, säger Jörgen Henriksson. Sedan sprack de på olika sätt. I det 3d-printade verktyget är det väldigt fin snittyta, som ett streck på detaljen. I den normaltillverkade är de fler till antalet och löper parallellt. Dessutom såg vi att det lossnat små metallbitar från verktyget.
Totalt körde Ankarsrum ut 3800 skott, varpå en del gick sönder i det 3d-printade verktyget.
Själva ”beställaren” av den 3d-printade detaljen i projektet är Richardssons Verktygsservice i Västervik. Företaget har en historia som verktygsmakare sedan 1963 och man var tidigt ute med modern teknik som CNC-fräsning och CAD/CAM. Företagets delägare, Elisabeth Eidersjö, ser medverkan i ADDING som en viktig omvärldsbevakning.
– Det är viktigt att vi är insatta i ny teknik och att vi vet vilka alternativ som finns och hur dessa fungerar i vår bransch, säger Elisabeth Eidersjö. 3d-printtekniken kan mycket väl bli en teknik som vi måste ha internt i vår maskinpark i framtiden.
Vanligtvis används varmarbetsstål när man tar fram pressgjutningsverktyg. Dessa är härdade för att tåla extrema temperaturfluktuationer. Det är en av flera egenskaper som man vill undersöka i projektet.
– Det ställs höga krav på det material som pressgjutningsverktyg produceras i, säger Elisabeth Eidersjö. Det flytande aluminium som förs in i verktyget har en temperatur på ca 700 grader. Efter en gjutning ska verktyget kylas ned till under 300 grader, och då behöver man kanaler i verktygsdelarna där kylmediet får cirkulera.
– När man 3d-printar dessa verktyg kan man bygga in en optimal kylning i verktyget som konventionella metoder som borrning inte rår på, säger Elisabeth Eidersjö.
Efter att verktygsdelarna 3d-printats levererades de till Richardssons Verktygsservice för efterbearbetning. Dessa verktygsdelar hade ett extra materialpålägg på runt 0,5 millimeter på alla ytor.
– Ytan på den printade komponenten är tämligen grov varför det krävs en bearbetning, säger Elisabeth Eidersjö. Bearbetningen skedde genom NC-fräsning och putsning i syfte att nå rätt dimensioner och rätt ytfinhet. Att fräsa i det printade materialet var ganska likvärdigt mot fräsning i varmarbetsstål med samma hårdhet, men med den skillnaden att slitaget på skärverktygen var större. Det beror troligtvis på den högre halten karbider i det printade materialet, vilket påverkar förslitningen på skärverktygen.
I denna första fas har man endast provgjutit med det ohärdade verktyget. Dessutom hade detta inte optimerade kylkanaler. I ett av de provverktyg som 3d-printades fastnade det metallpulver i de kylkanaler som optimerats för produktionsmetoden och verktyget fick kasseras.
Nu kvarstår att prova med det härdade och med kylkanaler som inte går att få till med traditionell teknik.
– Komponenten kommer att jämföras tribologiskt med traditionellt framställt verktyg och därifrån kan vi dra slutsatser, säger Ulrik Beste på VBN. Som det ser ut nu så sprack verktyget runt en insats som inte fanns på det traditionellt tillverkade verktyget, så vi vet inte max livslängd i detta första test. Vi tror att ett härdat Vibenite 60 utan insats kan överträffa livslängdskraven med råge.
– Vi ska också komma ihåg att projektet ADDING är en förstudie där vi inte hinner ta med alla frågeställningar. Det kommer att vara olika faser i ADDING som vi kommer gå igenom. Nu ska vi utreda vad som kan göras, vad vi ska fördjupa oss inom och hur vi kan gå vidare, avslutar Markus Börrisson.
