L-PBF, EBM och DED är alla metoder som spelar inom egna områden med olika specialiteter, där metoderna är att föredra. För att kunna jämföra dessa metoder har en tabell ställts upp. Tabell 3 innehåller av numeriska värden som beskriver metodernas begränsningar. Rutor med streck är områden där data inte har hittats eller där given data har varit alltför osäker för att inkludera.
Tabell 3, visar de olika metodernas begränsningar för Titan legeringen Ti6Al4V grade 5. (1) Anders S, GE Addative. (2) Mikael S, EOS Nordic AB.
Begränsningar
Funktioner L-PBF EBM DED
Hål ≥ 0,5 mm ≥ 0,5 - 1.0 mm (1) - Tunna strukturer för Ti6Al4V grade 5 ≥ 0,3 - 0,4 mm [24][25][26] (2) ≥ 0,8 - 1.0 mm (1) -
Ra-värde Efter utskrift 9 - 40 µm, Efterbearbetning med kulpening ≥ 5-9 µm [24][25][26][56]
Efter utskrift 10 - 40
µm [47][56][60] Efter utskrift, pulver:12 - 60 µm [56] Efter utskrift, tråd: 45-200 µm [56] Rz-värde 20 - 80 µm [24][25] - Efter utskrift, tråd:150
- 300 µm [56] Gängor ≥ (M3) (2) - - Tolerans ≥ ± 50 µm [24][25] ± 180 µm ≥ ± 0,1 mm Lagertjocklek i Z-led 5 - 200 µm 50 - 200 µm [9][45][46][57] ( ≥ 25 µm [47] ) (För pulver) 0,2 - 1 mm [56]
Nedan följer en utvärdering av möjligheterna att producera detalj A. Värdena som används i utvärderingen görs utifrån de numeriska värdena som presenteras i tabell 6 och informationen från 5.3 utvärdering av de sju additiva tillverkningsmetoderna. Där värden saknas antas att metoden inte är kapabel.
5.4.1 Utvärdering Materialkrav
Både inom L-PBF, EBM och DED finns maskiner som kan hantera legeringen Ti6Al4V Grade 5. Dessa tekniker uppfyller därför kravet på material.
5.4.2 Utvärdering Hållfasthetskrav
Både L-PBF, EBM och DED kan skriva ut produkter där hållfastheten uppnår högre värden än materialets ursprungsvärden på 870 MPa [58]. Alla tekniker uppfyller därför kraven.
Tabell 4, Krav på sträckgräns utifrån undersökt detalj till kompabilitet för L-PBF, EBM och DED.
Hållfasthetskrav Detalj A L-PBF EBM DED
Sträckgräns 870 MPa [58] 980 - 1100 MPa [45][59] 910 - 1100 MPa [45][60] 920 MPA
5.4.3 Utvärdering av geometriska dimensioner och toleranskrav
De minsta gängorna för detalj A är M1.4. Dessa gängor har en gängstigning på 0,3. Eftersom att gängans profil kan liknas vid en triangel med gängstigningen som bas innebär det att resten av gängans profil är tunnare än 0.30. Det tunnaste strukturen som AT metoderna kan skapa är 0,3-0,4 mm. M1.4 går helt enkelt inte att skapa med denna teknik. Ingen AT metod uppfyller därför kravet.
Ra-värdet för detalj A ligger på 1,6 µm. Vilket är mycket lågt för alla AT metoder, den bästa presterar Ra-värden högre än 5 µm Med efterbearbetning klarar den L-PBF att leverera Ra- värden som närmar sig 2 µm. Vilket fortfarande är över det krav som specificerats och kraven uppfylls därför ej.
Det finns flera radier på Detalj A, den finaste är 0,1 mm stor. Med de tunnaste lagren på 5 µm kan radien delas in i 20 lager. vilket skulle kunna ge radien en inte allt för grov upplösning. Något som talar emot är att de minsta hålen som går att göra är 1,5 mm i diameter, dvs 0.75 mm radie. Det är därför osäkert om det går att göra radier med bra upplösning.
Huvudet på detalj A är sexkantig med finaste toleransen på ± 10 µm. De bästa toleranserna som de valda AT metoderna klarar att leverera är ± 50 µm, vilket gör att kravet inte uppfylls. Många av de finaste toleransen på detalj A ligger långt under de gränser som metoderna klarar av att leverera, svaret blir därför uppfyller ej.
Tabell 5, Krav på sträckgräns utifrån undersökt detalj till kompabilitet för L-PBF, EBM och DED.
Geometriska dimensioner och toleranser
Detalj A L-PBF EBM DED
Gängor M 1.4 ✕ ✕ ✕ Ytjämnhet Ra 1,6 µ𝑚 ✕ ✕ ✕ Radie R0,1 mm ✕ ✕ ✕ Kanter/Hörn ± 10 µ𝑚 ✕ ✕ ✕ Toleranser ± 10 µ𝑚 ✕ ✕ ✕ 5.5 Utvärdering av detalj B
Många högtemperaturspolymerer är svåra att tillverka med AT, vilket begränsar metoder som stödjer dessa material, där PEEK är ett av dem. PEEK stöds nuvarande av FFF inom ME eller SLS inom PBF [18]. Vidare diskussion kring de två kompatibla AT-metoderna för PEEK samt huruvida dessa metoder kan säkerställa de undersökta detaljernas kvalitetskrav ska nu diskuteras närmare.
5.5.1 Utvärdering av materialkrav
Som konstaterats finns det två AT-metoder kompatibla för tillverkning med PEEK, vilket är SLS eller FFF. Rätt val av metod beror på vad som anses vara betydligt för det som ska tillverkas. Den undersökta detaljen har materialkrav som är kritiska och bör uppfyllas, då företaget ställer höga materialkrav utifrån biokompatibilitet och renhetskrav. Vid implementering av SLS råder begränsningar till material där få maskintillverkare implementerat PEEK för SLS, faktum är att maskintillverkaren EOS är det enda och ledande företaget [61]. Dessutom är metoden begränsad till EOS egna PEEK legering i pulver, HP3 [61]. För FFF gäller inte samma krav och de flesta filament kan tillverkas utifrån önskat material, däribland detaljens materialkrav victrex 450G [62]. Vid AT för PEEK konstateras därav att endast FFF kan säkerställa materialkravet. Då PEEK för SLS för närvarande inte uppfyller de krav som ställs på nuvarande produktion, med hänseende till materialkrav utifrån tabell 6.
Tabell 6, Materialkrav utifrån undersökt detalj till kompabilitet för SLS och FFF.
Krav Detalj B SLS FFF
Materialkrav PEEK Victrex 450G PEEK HP3 PEEK Victrex 450G
5.5.2 Utvärdering av hållfasthetskrav
På tal om de mekaniska egenskaperna hos additivt tillverkade material visas ofta större försämring. Detta uppstår vid uppbyggande av lager under processen, vilket leder till svag
bindning mellan dessa [62]. Detta leder till att detaljer inte har samma egenskaper i olika ledder, i vertikalled råder sämre egenskaper i jämförelse mot horisontellt. PEEK i FFF ger en sträckgräns på 65 MPa efter utskrift. Detta är givetvis betydligt lägre mot undersökt detalj men dessa egenskaper kan ökas ytterligare med värmebehandling, vilket ger en sträckgräns på 99 MPa [19]. Att värmebehandla utskriften ökar inte enbart de mekaniska egenskaperna utan leder även till bättre kemikalisk beständighet och ökar den arbetstemperatur som materialet är tänkt att arbetas i [19]. Detta kan vara betydande utifrån användningsområde, vilket den undersökta detaljen kan kräva. FFF uppfyller av denna anledning även krav utifrån materialets mekaniska egenskaper, men krav på värmebehandling för optimalt värde är avgörande [61]. SLS-tillverkad PEEK kan redan efter utskrift erhålla betydligt högre mekaniska egenskaper, då bindningen mellan varje lager är starkare vid SLS tillverkning [62]. För SLS tillverkad PEEK kan en sträckgräns på 95 MPa erhållas [64]. Detta leder även till att denna metod kan erhålla kravet enligt tabell 7.
Tabell 7, Krav på sträckgräns utifrån undersökt detalj till kompabilitet för SLS och FFF.
Krav Detalj B SLS FFF FFF med Värmebehandling
Sträckgräns 98 MPa 95 MPa 60 MPa 99 MPa
5.5.3 Utvärdering av geometriska dimensioner och toleranskrav
Genom att använda sig av maskinens tolerans går det att förutspå om en möjlighet finns att åstadkomma detaljens rätta mått. Toleranserna kan variera beroende på, den generella ligger runt ± 200 µ𝑚 men endel maskiner klarar av att komma ner mot ± 100 µ𝑚 [64]. Detta är dock inte avgörande då möjliga toleranser oftast kan variera från detalj till detalj. Vid AT brukar man även tillämpa repeterbarheten, det vill säga att detaljen anpassas utifrån AT-metoden, exempelvis har detalj B en snävare tolerans (±50 µ𝑚)än vad som ges av maskinens tolerans(±100µ𝑚), tabell 8. Detta innebär nödvändigtvis inte att AT-metoden inte uppfyller kravet. Det som görs då är justering av detaljen i detta led för att passa bättre vid utskrift. Även uppmätta värden kan användas för att anpassa tillverkningen i syfte för att uppnå rätt krav, exempelvis om tolerans inte uppnås kan modellen ändras uppåt eller nedåt för att åstadkomma rätt proportion Robert A, Additiva AB.
Tabell 8, Krav på sträckgräns utifrån undersökt detalj till kompabilitet för SLS och FFF.
Krav Detalj B SLS FFF
Toleranskrav ± 50µ𝑚 ± 100 µ𝑚 ± 200 µ𝑚
Vid utvärdering av geometriska dimensioner och toleranskrav måste detaljen undersökas närmare. Detaljen har olika utformningar vilket kan vara betydande för om kravet kan uppnås. Exempelvis har detaljen mindre hål och finare gängor som måste uppnås för att detaljen ska kunna användas som tänkt. Dessa har specificerats enligt tabell 9.
Tabell 9, Begränsningar på utformning vid SLS och FFF [16][32].
Utformning Detalj B
(Kravställare) Begränsningar förSLS Begränsningar förFFF
Toleranskrav ± 50µ𝑚 ± 100 µ𝑚 ± 200 µ𝑚
Lagertjocklek N.A 80-120 μm 100-200 μm
Gängning ≥ 𝑀3 ≥ 𝑀3 ≥ 𝑀3
Hål 3 mm Minimum 1.5 mm Minimum 2 mm
Radier 1 mm Minimum 0,4 mm Minimum 1 mm
Märkning 4 mm texthöjd 2 mm texthöjd 2 mm texthöjd
Det har tidigare konstaterats att gängor med FFF är svåra att åstadkomma. Generellt gäller att större gängor är realiserbara utan förändring av gängstigning och form av gängan, men att även finare gängor går att åstadkomma med en förändring [22]. För att kunna avgöra huruvida finare gängor som M3 går att åstadkomma för PEEK-detaljen skickades en förfrågan ut för testning. De olika gängorna från detaljen plockades ut och skrevs ut separat vid test enligt figur 11, med hjälp av ett externt företag som specialiserar sig inom AT Robert A, Additiva AB. Efter utskrift monterades skruv med den minimala gängstorleken M3, vilket visade sig fungera i praktiken, dock visade sig spelet vara minimalt då högre resistans uppkom mellan gänga och skruv. Detta leder till att kravet inte går att uppfylla för detalj B, då gängprofilen förändrats. Av denna anledning konstaterades med handledare från Nobel Biocare att gängan skulle kunna bearbetas manuellt efter utskrift. Detta skulle heller inte visa sig leda till några komplikationer.
Figur 11, utplockade gängor från undersökt detalj i intamsuite, i syfte för test av utskrift.
Resterande geometriska dimensioner och toleranskrav visade sig inte ha en större påverkan och kunde vara realiserbara med FFF. Dock fanns vissa snäva toleranser på håldjup som
behövde uppfyllas inom rätt intervall. Med hjälp och diskussion av samma externa företag inom AT kunde en utvärdering utföras. Med detta i åtanke visade sig detaljen kunna tillverkas enligt geometriska dimensioner och toleranskrav, med viss efterbearbetning av gängor.