Additiv till­verk­nings­de­sign för optimerad produktion – kundcase

Etteplan anlitades för att omdesigna en 2-till-1 fördelarkanal till dammutsuget i en kunds sliprobot för tillverkning med 3D-printer. Kundens befintliga komponent som tillverkades med konventionella metoder var dyr, ful och svårhanterlig samt hade en lång logistikkedja, vilket orsakade problem vid produktionslinjen. Kunden ville ha en ny lösning av aluminium eller någon annan metall som skulle vara optimerad för produktion med LPBF-metoden, och som dessutom skulle väga betydligt mindre än den ursprungliga delen samt ha lägre kostnader och bättre luftflödesegenskaper.

Designarbetet inför additiv tillverkning utförs av noggrant utvalda multidisciplinära team och bygger på en simuleringsdriven metod. Genom att välja rätt experter till varje projekt kan vi lösa även de mest krävande tekniska eller tillverkningsrelaterade problemen. Vår erfarenhet har hjälpt oss utforma effektiva arbetsflöden som garanterar snabba resultat.

Etteplan samlade ett team med experter på additiv tillverkning, design för additiv tillverkning och processimulering. I designprocessen använde teamet Etteplans eget verktyg för kostnadsuppskattning och simulering av 3D-printprocessen.

I den första designversionen gjorde man luftkanalerna slätare på insidan och eliminerade överflödigt material. Därefter använde man simuleringsprogrammet för att optimera komponentens orientering vid tillverkning och analysera dess effekter på printtiden, mängden stödmaterial, behovet av efterbearbetning samt förväntad deformation/distorsion. Man identifierade två orienteringar som erbjöd lika stora fördelar i fråga om mängden stödmaterial, efterbearbetning och deformationer. Dessa hade den längsta printtiden för att tillverka en enskild komponent, men tog upp minst utrymme med optimal nesting, dvs. delarna optimalt arrangerade på byggplattan, vilket innebar att printtiden per komponent i själva verket blev kortare än med delarna orienterade på annat sätt.

Designen modifierades ytterligare för att förbättra printbarheten för de valda orienteringarna och eliminera behovet av stödstrukturer i delar av komponenten som är synliga för slutanvändaren. Printprocessen simulerades med de valda orienteringarna för att avgöra var stödstrukturer skulle behövas, förhindra distorsioner i printriktningen från att kollidera med recoatern (bladet som sprider ut pulvret) samt kontrollera att komponentens slutgiltiga distorsionsnivåer var rimliga.

Teamet använde även Etteplans verktyg för att uppskatta och jämföra kostnaderna för olika designalternativ med den ursprungliga konventionellt tillverkade delen. Uppskattningarna visade att det på grund av materialmängden och printtiden skulle bli för dyrt att producera en enskild del med 3D-printer. För att nå punkten där det kostar lika mycket att tillverka delarna med konventionella metoder som med additiv tillverkning måste man printa 11 delar samtidigt.

För att kunna tillverka så många delar som möjligt med en gång gjordes ytterligare ändringar i designen så att fyra delar kunde staplas ovanpå varandra i printriktningen. Då kunde man printa totalt 120 delar på en och samma gång. Genom att simulera processen kunde man än en gång uppskatta behovet av stödstrukturer och simulera printprocessen för staplar med fyra dammkanaler.

Genom att modifiera designen så att delarna kunde staplas i printriktningen och maximera antalet delar som kunde printas samtidigt blev kostnaden per del 40 procent lägre jämfört med konventionell tillverkning. Kunden uppnår dessutom ytterligare besparingar tack vare en mer flexibel leveranskedja och möjlighet att tillverka delarna lokalt utifrån sina behov i olika stora partier.

Förutom lägre kostnader erbjuder den nya designen även ett antal andra fördelar: 

Eftersom dammkanalerna inte är bärande delar behöver slutprodukten inte ha fullständigt tätt material med bästa möjliga mekaniska egenskaper. Det är ett bra exempel på ett fall där ett ”tillräckligt bra” material kan övervägas när man fastställer processparametrarna. Att göra vissa delar av komponenten något mer porösa kan ge betydande vinster i fråga om printtid (och därmed kostnader). För den staplade designen med fyra dammkanaler samarbetade Etteplan med SLM Solutions för att optimera processparametrarna för hastighet i icke-synliga delar (gängade inlopp/utlopp), medan resten av komponenten har standardparametrar med hög kvalitet. Samtidigt optimerades även stödstrukturerna för att minimera materiaförbrukningen och göra det lättare att blåsa bort pulver. På detta sätt kunde man minska printtiden för hela partiet med 25 procent. 

Etteplans slutgiltiga design för dammkanalen till sliproboten uppfyllde och överträffade kundens designmål tack vare nära samarbete och god kommunikation mellan kunden, Etteplan, SLM Solutions och serviceleverantören som tillverkade delarna (3DStep).

En annan viktig framgångsfaktor var att projektteamet med sina kombinerade kunskaper kunde utnyttja den frihet additiv tillverkning ger och hade gedigen förståelse för tillverkningsprocessen för att producera en högklassig produkt med låga kostnader. Beslutsfattandet under designprocessen underlättades avsevärt av Etteplans kostnadsberäknare och simuleringsverktyg för additiv tillverkning. Ett nära samarbete med SLM Solutions resulterade i ytterligare kostnadsbesparingar genom optimering av processparametrarna.