Det finns flera utmaningar som hämmar en bredare implementering av 3d-printning av metallkomponenter, den största är kanske bristen på repeterbarhet och små kvalitetsvariationer i komponenterna.
För de industrivertikaler där det ställs extrema säkerhetskrav – fordon, flyg- och medicinteknik, är det kritiskt att man har tillgång till samma verktyg och metoder för kvalitetskontroll som traditionell tillverkningsteknik. Det är något som helst bör lösas i själva produktionsprocessen med mätutrustning som kontrollerar produktionen i realtid. Genom att vi vet vad som händer i 3d-printprocessen kan vi också utveckla kontrollmetoder som säkrar repeterbarhet och optimerar kvaliteten på det vi producerar.
På en mikrostrukturnivå ser man i detalj hur smältningen av metallpulver går till. När metallpulver smälts, antingen av en laser eller en elektronstråle, uppstår en smältpool. Homogeniteten i denna avgör de metallurgiska och mekaniska egenskaperna i komponenten. Om metallpulvret inte smälts optimalt kan det uppstå fel i smältpoolen, vilket oftast resulterar i defekter som porositet och sprickor.
Enligt amerikanska NIST, National Institute of Standards and Technology, finns det över 50 faktorer som påverkar additiv metallproduktion med laser eller elektronstråle negativt. Det handlar om homogeniteten i de olika lagren, geometri, stresstolerans på färdig komponent och komponentintegritet. När det gäller produktion av industriella slutkomponenter måste man kunna garantera alla dessa egenskaper.
Dagens processkontroll görs oftast med experimentella metoder eller genom trial-and-error. Det har inte bidragit nämnvärt till förbättrad kvalitet. Många menar att det måste till ett bättre kontrollverktyg redan i produktionsprocessen, mer specifikt i själva smältprocessen, när laserstrålen eller elektronstrålen smälter metallpulvret. Att till fullo förstå vad det är som sker under denna process kan bidra till att det utvecklas adekvata lösningar för kvalitetskontroll.
Sigma Labs är ett av flera företag som är verksamma inom just kvalitetskontroll och de arbetar i dagsläget med att ta fram lösningar för övervakning av produktionsprocessen. Företagets sensorteknik SENSORPAK är en verktygslåda med optiska, termiska och akustiska sensorer som samlar in data under produktionen.
All processdata dokumenteras och matchas enligt det regelverk som satts upp för den specifika produktionsprocessen eller för den specifika komponenten. Det handlar om rätt stora mängder information ner till enskilda lager. Det enskilt viktigaste ledet i denna datainsamling för att få fram en processkaraktärisering är att filtrera fram de mest tongivande processvärdena.
Nästa steg i kedjan, det vill säga, när processen är identifierad och karaktäriserad, är att ta fram en modell för repeterbarhet. Här har Sigma Labs tagit fram ett statistikverktyg som heter INSPECT. Programmet har tillgång till alla processparametrar och använder dessa som en referens för att i realtid jämföra processkaraktäristika ner på mikroskopisk nivå.
INSPECT-verktyget har dessutom funktioner för förutbestämda förutsättningar baserade på tidigare framgångsrika produktioner. Det innebär till exempel att laserstrålen inte aktiveras för att smälta metallpulver förrän dessa krav kan mötas. Tekniken kallar man för IPQA, In-process Quality Assurance.
Det pågår i dagsläget flera utvecklingar inom just kvalitetskontrollsystem för additiv tillverkning – i tilverkande företag, i standardiseringsorganisationer och av leverantörer. Det är en nödvändighet om 3d-printtekniken ska kunna användas på bredare front och lösa många av de utmaningar som svenska tillverkningsföretag tampas med dagligen.
