Hur kan produktiviteten inom metallbaserad 3D-printing öka utan att man behöver kompromissa med kvaliteten? Det har forskaren Rasmus Gunnerek vid Chalmers tittat närmare på i sin avhandling.
Möjligheterna med additiv tillverkning i metall är många, men det finns praktiska begränsningar för en bredare industriell användning av tekniken. Det kan handla om höga kostnader, låg produktivitet, och att säkerställa kvaliteten i den printade komponenten.
Rasmus Gunnerek disputerade i juni och hans avhandling handlade om hur produktiviteten kan öka vid additiv tillverkning med PBF-LB-processen och olika järnbaserade legeringar. Detta för att kunna göra 3D-printat stål mer tillgängligt för industrin.
– Produktivitet är en av de viktigaste frågorna inom 3D-printing, om du frågar mig, säger Rasmus Gunnerek som tog sin kandidatexamen vid Karlstads universitet för att sedan fortsätta med sin master vid Chalmers och vidare till doktorandstudier vid Centrum för additiv tillverkning i metall (CAM²).
Vissa faktorer konstanta
En stor utmaning med att studera produktivitet är att det finns många olika processparametrar och genom att justera de olika utskriftsparametrarna kan material- och komponentegenskaper ändras på olika sätt. Då är det väldigt viktigt att förstå vilka egenskaper man behöver i olika applikationer och sedan anpassa processutvecklingen därefter.
– Därför har jag försökt hålla i alla fall vissa faktorer konstanta. Jag har byggt min forskning på en och samma maskin, en medelstor industriell PBF-LB maskin med en laser, och använt samma pulversort varje gång. Så att det i så hög grad som möjligt ska gå att föra över resultaten från min forskning till industrin.
Kärnan i Rasmus Gunnereks forskning handlar om hur processen kan snabbas på, utan att man behöver kompromissa med kvaliteten. När byggtakten ökar för mycket så innebär det risk för interna defekter som porositet. Denna porositet kan dock designas så att man kan har kontroll över materialegenskaper.
Han har bland annat justerat viktiga utskriftsparametrar som laserskanningshastighet, hatch-avstånd och lagertjocklek för att se hur produktionstakten kan öka samtidigt som det är möjligt att hantera de materialdefekter som uppstår.
– Den i särklass viktigaste parametern för ökad produktivitet är lagertjockleken. Jag har tittat på 20 mikrometers lager och jämfört med 40, 60 och 80 mikrometer, och du kan se en halverad printtid om du fördubblar lagertjockleken.
Detta faktum är det också många som är medvetna om, men även att det är svårt att pusha det för långt om man vill ha en fin yta på komponenten.
– Därför är det viktigt att se även på parametrarna per lager och vad man kan göra där. Då är det hastigheten på lasern och hatch-avståndet som jag har tittat på. Jag har jämfört samma bygghastighet och hållit den ena konstant medan den andra ändrats. Då såg jag att processtabiliten är mycket bättre om man ökar produktiviteten per lager med ökat hatch-avstånd jämfört om laserhastigheten ökas.
Möjligheter inom fordonsindustrin
Det hela kokar ner till vilka interna defekter som man kan leva med – beroende på användningsområde.
– Det finns ganska många applikationer, till exempel inom fordonsindustrin, som har relativt hög porositet i materialet och där det inte behöver vara 100-procentig densitet. Om man vet hur defekterna beter sig kanske man kan leva med dem, säger Rasmus Gunnerek.
Han säger att andra branscher som flyg och energi har kommit längre i sin användning av additiv tillverkning och ser fördelar med att kunna printa komplexa detaljer och är mer benägen att ta den kostnaden. Det som håller tillbaka en bredare tillämpning inom fordonsindustrin är framför allt att metallbaserad 3D-printing är en relativt långsam och dyr metod jämfört med konventionell tillverkning.
– Om man sparar ett kilo på ett flygplan jämfört med på en bil, så är flygindustrin mer villig att betala för det eftersom det sparar bränsle och tar flyget längre.
Ytjämnhet är en annan viktig – och begränsande faktor – inom metallbaserad 3D-printing. Designfriheten och möjligheten att printa komplexa geometrier innebär att det kan vara svårt att efterbehandla sådant som interna kanaler.
Rasmus Gunnerek har i sin studie utvärderat två ytbehandlingsalternativ: elektrokemisk polering, som använder vätska för att avlägsna material från inre ytor, och kemisk-mekanisk polering, där vibrationer och icke-slipande medel används för att jämna ut ytan.
– Det var slutsteget i min avhandling, att koppla ihop produktivitet med ytan. Det viktiga är att få fina ytor så att det inte leder till sprickinitiering eller andra utmattningsegenskaper. Det spelar ingen roll hur snabbt du kan printa om du inte kan fixa ytan.
Förbättrad yta med båda metoderna
Metoderna som Rasmus Gunnerek studerat visade på lovande resultat.
– Båda alternativen visade sig kunna fördubbla utmattningslivet på högproduktivitetsparametrarna bara genom att förbättra ytorna. Det var också intressant att det blev goda resultat med två väldigt olika ytbehandlingsmetoder.
Alla moment som tillkommer i processen innebär dock en extra kostnad, och det är en viktig faktor att ta hänsyn till. Målet är därför att tillverkningen kan ske så effektivt som möjligt, samtidigt som man får fram en komponent som uppfyller alla krav som ställts. Därför behöver man se på hela processen och vilka kostnader de olika stegen innebär.
– Om du behöver en fin yta kanske det är mer kostnadseffektivt att printa långsammare, så att ytan är bättre från början. Printar du snabbare får du fler interna defekter och det lägger på ytterligare kostnader.
Rasmus Gunnerek är kvar på Chalmers efter sin disputation och jobbar nu vidare med att titta på ytbehandlingar.
– Det är mycket som fortfarande är ouppklarat och det är kul att ha möjligheten att få fortsätta forska i ämnet, säger han avslutningsvis.
Läs Rasmus Gunnereks avhandling här:
Productivity of Ferrous Alloys Produced by Powder Bed Fusion – Laser Beam
