Utskrifter i metall – i stor skala

3D-utskrift, även kallat addativ tillverkning, har kommit långt Det handlar inte längre bara om tillverkning av små plastprototyper. Additiv tillverkning kan användas ihop med många olika material och för många olika tillämpningar och den mest intressanta utvecklingen just nu är utskrift av stora objekt i metall. 

Under de senaste åren har tillverkningstekniken Wire Arc Additive Manufacturing, eller WAAM, utvecklats så pass mycket att det nu är användbar lösning för 3D-utskrift i metall inom flera användningsområden. WAAM-tekniken använder sig av datorstyrda maskiner som smälter ihop metallager till större föremål.

Robotsvetsning har funnits i flera år, så varför är WAAM ett populärt ämne just nu? Den främsta anledningen är att konstruktions- och programmeringsutvecklingen har nått en mognadsnivå som gör att man kan programmera och skriva ut föremål kostnadseffektivt.

Nystartade företag har nu fler möjligheter, vilket leder till lägre priser när nya konkurrenter kommer ut på marknaden. Ett bra exempel på innovation inom additiv tillverkning är det nystartade företaget Relativity Space som sysslar med tillverkning av raketer. Traditionellt sett finns det omkring 100 000 olika delar i en rymdfarkost, Relativity Space har minskat detta antal till 1 000 tack vare 3D-utskrift. 

Enligt företaget tar deras raketer endast två månader att tillverka. När ny teknik blir tillgänglig kan Relativity Space tillverka en ny raketmodell på betydligt kortare tid än konkurrenterna.

WAAM har samma uppenbara fördelar som alla 3D-utskrifter. Produktionen är platsoberoende, vilket innebär att kostsam logistik elimineras. Man kan vid behov skriva ut skräddarsydda reservdelar utan att ha ett lager av artiklar som sällan behövs. Dessutom minimerar automatiserade och datorstyrda processer risken för mänskliga fel. 

En av de stora fördelarna med 3D-utskrift är att det möjliggör helt nya designlösningar. Formfriheten är större, vilket innebär att man kan tillverka former som annars skulle vara mycket dyra eller omöjliga att förverkliga med traditionella metoder. 

Med digitaliserad 3D-konstruktion går det att experimentera och ändra planeringen på ett flexibelt sätt. Processen är mycket effektivare än traditionell verktygsbaserad tillverkning. Mindre förändringar och iterationer kan enkelt göras redan i planeringsstadiet och tidslinjen från idé till färdig produkt blir kortare än med andra metoder.

En annan anledning till varför WAAM är så användbart är att metalldelarna kräver mindre material. Detta gynnar både planeten och plånboken.

Inom WAAM är samarbete mellan designer och tillverkare avgörande. Ett bra exempel på detta är tillverkningen av ett motorfäste för Wärtsilä, ett företag som skapar lösningar för energimarknaden. Utformningen granskades med hjälp av designsprint i Merinovas energikluster och verkställdes av Etteplan. ANDRITZ Savonlinna Works ansvarade för tillverkningen.

Utmaningen var att konstruera en komponent som inte gjorde att maskinbädden vibrerade. Den ursprungliga lösningen bestod av fyra tjocka metallplåtar som svetsades samman via planfräsning. Fästet fogades samman med 16 bultar och totalvikten låg på över 31 kg.

Vid genomgången i Merinovas designsprint insåg man att det skulle räcka med åtta fästskruvar. Eftersom projektet endast existerade i digital form var det enkelt att ändra planeringsförloppet. 

Med traditionella designmetoder hade det varit lockande att inte utföra några ändringar på de 16 bultarna för att slippa ytterligare arbete – men då hade man missat chansen att innovera med nya typer av lösningar.
 

Bild 1. visar hur de bästa funktionerna i tre designprogram användes i en enda komponentdesign. Geometriska förändringar kan snabbt tillämpas (från 16 till 8 bultar i detta fall) tack vare rätt typ av 3D-datahantering.

Konstruktionsprogram som till exempel Altair Inspire och nTopology som användes för Wärtsiläs motorfäste ger förslag på olika lösningar inom de angivna gränserna. Det är detta som topologioptimering handlar om – hur man utformar ett utskrivbart objekt som kräver så lite material som möjligt och ändå är tillräckligt stabilt för att uppfylla det avsedda syftet. 

Fastän programvaror öppnar upp nya designmöjligheter krävs det fortfarande att en ingenjör väljer bort omöjliga eller ologiska förslag och endast behåller de som kan vidareutvecklas.

Fästet i den slutliga designen vägde endast runt 21 kg, en betydande minskning jämfört med den ursprungliga designen. Som bilden visar är den futuristiska formen förmodligen något som en vanlig planerare inte hade kunnat föreställa sig.

Bild 2. Motorfäste från Wärtsilä

Kan ett föremål som skrivs ut genom att flera lager av metall fogas samman vara lika stabilt och hållbart som ett stålblock? Ja, det kan det. Hos ANDRITZ utsattes ytterligare en 3D-utskriftsmodell som bestod av 95 lager för rigorösa tester. Det svetsade blocket klarade alla tester, vilket bland annat omfattade böjning, korrosion, stötar och uttöjning. I vissa fall var det utskrivna föremålet till och med mer robust än vad som angavs i databladen.

Mod och ett framtidsorienterat tankesätt är det som krävs om man vill utforska nya tillvägagångssätt. I projektet för Wärtsilä krävdes en kombination av expertis och nytänkande för att projektet skulle kunna genomföras framgångsrikt. Det krävdes ett nära samarbete mellan formgivaren, tillverkaren och kunden.

Potentialen inom additiv tillverkning är enorm. WAAM har en ständigt växande kapacitet, men investeringar krävs för att utskrift ska kunna ske med full kapacitet så att man slipper fördela begränsade resurser mellan traditionell tillverkning och additiv tillverkning.

WAAM har redan visat sig vara en användbar lösning inom produktion. Utöver motorfästet som nämns ovan levererade och installerade ANDRITZ nyligen de första WAAM-delarna för bearbetningsmaskiner i massabruk. Det pågår också ett projekt för att storleken på 3D-utskrivna delar ska kunna öka från tiotals till hundratals kilo.

Additiv tillverkning är en del av den stora digitaliseringstrenden. Det är också ett viktigt steg på vägen mot sammankoppling av virtuell och fysisk verklighet. Tack vare utvecklingen inom CAM-området, programvara och tillverkning kan vi göra saker på ett sätt som hade varit omöjligt för bara några år sedan. Man kan inte ens föreställa sig vad WAAM kommer att kunna användas till i den närmaste framtiden. Det blir spännande att se.

Vill du veta mer om lösningar för 3D-utskrift i metall? Kontakta oss på: