Additiv tillverkning - En undersökning av processbyte från traditionella tillverkningsmetoder

Additiv tillverkning - En undersökning av

processbyte från traditionella

tillverkningsmetoder

Daniel Björk Ljunggren, Daniel Slessarevich

Högskoleingenjörsprogrammet inom industriell design och produktutveckling Örebro vårterminen 2021

Examinator: Nader Asnafi

Additive manufacturing - An investigation of AM produced parts compared with current quality requirements.

Örebro universitet Örebro University

Institutionen för naturvetenskap och teknik School of Science and Technology 701 82 Örebro SE-701 82 Örebro, Sweden

Sammanfattning

De traditionella tillverkningsmetoderna (TT), exempelvis fräsning eller svarvning, är något många företag använder sig av för att bearbeta fram sina produkter. Dessa processer ger hög precision, snäva toleranser och en god ytfinish vid tillverkning. Men som för alla processer finns även nackdelar och begränsningar. Många av dessa processer är väldigt dyra och kräver större tillverkningsvolymer för att bli lönsamma. De har även begränsningar i frihet vid formgivning och kräver bland annat större kunskap hos operatören och leder till materialspill. På senare tid har additiva tillverkningsmetoder (AT) lockat många tillverkare för att byta ut de traditionella processerna. Med sin frihet i formgivning, enkelhet och diversitet ser man potential i att spara både tid och pengar. Men att byta ut nuvarande produktionsmetod kräver god förståelse av den nya metodens kapacitet och begränsningar. Detta för att kunna säkerställa kvalitetskrav för det tänkta arbetet. AT i dagens läge är begränsad till materialval, ger långt ifrån de snäva toleranser som kan åstadkommas med traditionella tillverkningsmetoderna, och kan påverka de mekaniska egenskaperna hos den tillverkade detaljen negativt. Vissa AT metoder kräver dessutom höga investeringskostnader och det visar sig inte alltid vara mer lönsamt mot traditionella tillverkningsmetoder. I detta arbete ska just detta undersökas och huruvida AT kan konkurrera med traditionella tillverkningsmetoder, samt hur AT kan säkerställa de krav som finns på befintlig produktion av detaljer. Detta arbete är en förstudie om additiv tillverkning och dess möjligheter att ersätta befintlig produktion av verktyg och produkter.

Abstract

The conventional manufacturing methods, such as milling and turning, are reliable methods which makes them commonly used. These methods are capable of producing high precision details with high surface quality. But there are drawbacks and limitations. Many of these methods are expensive and require high production volume to be profitable. The design constraints for conventional manufacturing methods are usually determined by the machining tools, which restrict shape and form.

Additive manufacturing methods have gained high attraction in the last decades as an alternative to conventional methods. With greater design freedom, ease to use interface and minimal material waste, cost and time usage can be minimized. But changing the production process requires high knowledge of capability and limitations for these methods. This step is critical to assure the right detail and quality requirements. Additive manufacturing at present is limited to material selection, low precision and possibility of reduced mechanical properties. This report aims to investigate additive manufacturing and the possibility of replacing conventional manufacturing of tools and products.

Förord

Vi vill tacka vår handledare Phd Jens Ekengren för den tid och kompetens som vi fått ta del av. Vi vill även tacka Babak Vafa från Nobel Biocare för all hjälp och vägledning, alla sena mail och svar. Stort tack till alla företag som varit med och hjälpt till med informationsinsamling och expertis inom ämnesområdet.

Innehållsförteckning

1 INTRODUKTION 1 1.1 Företaget 1 1.2 Problemställning 1 1.3 Disposition 1 2 Bakgrund 3 2.1 Problemet 3 2.1.1 Syfte 3 2.1.2 Frågeställningar 4 2.1.3 Avgränsningar 4 2.2 Företagskontext 4

2.3 Generell industriell kontext 4

3 Vetenskapligt ramverk 5 3.1 Double diamond 5 3.2 Datainsamling 6 Litteratursökning 6 Intervjuer 6 Internet 6 Observationer 6 Andra källor 6

3.3 De sju huvudkategorierna inom additiv tillverkning 6

3.3.1 VAT Photopolymerization 7

3.3.2 Material extrusion 8

3.3.3 Material jetting 8

3.3.4 Binder jetting 9

3.3.6 Directed Energy Deposition (DED) 10 3.3.7 Sheet lamination 11 3.4 Tillverkningskostnad 12 3.4.1 Investeringskostnader 12 3.4.2 Materialkostnader 12 3.4.3 Förberedningskostnader 12 3.4.5 Bearbetningskostnader 12 3.4.6 Efterbearbetning 13 3.5 Payback kalkylering 13 4 Metod 14 4.1 Metoder för genomförande 14 4.1.1 Utforskande 14 4.1.2 Analyserande 14 4.1.3 Utvärderande 14 4.1.4 Beslutande 14 4.2 Metodologiska överväganden 14 5 Resultat 16

5.1 Utforskning och datainsamling 16

5.2 Analys av datainsamling och problemformulering 16

5.3 Utvärdering av de sju additiva tillverkningsmetoderna 18

5.3.1 Fused filament fabrication (FFF) 18

5.3.2 L-PBF i (Laser Powder bed fusion) PBF 19

5.3.3 Selective laser sintering (SLS) 20

5.3.4 Electron beam melting( EBM) 21

5.3.5 DED (Directed Energy Deposition) 22

5.4.1 Utvärdering Materialkrav 23

5.4.2 Utvärdering Hållfasthetskrav 24

5.4.3 Utvärdering av geometriska dimensioner och toleranskrav 24

5.5 Utvärdering av detalj B 25

5.5.1 Utvärdering av materialkrav 25

5.5.2 Utvärdering av hållfasthetskrav 25

5.5.3 Utvärdering av geometriska dimensioner och toleranskrav 26

5.6 Beslut om lämplig lösning 28

5.6.1 Kalkylering av detalj för FFF 28

6 Diskussion 30

6.1 Värdering av resultat 30

6.2 Förslag på fortsatt arbete 31

7 SLUTSATSER 33

7.1 Slutsats om arbetets frågeställningar 33

SUMMERING AV VIKTIGA BEGREPP

Tillverkningsmetod eller tillverkningsprocess - Syftar till den form av bearbetning en detalj tillverkas med.

Supports - Stödstruktur för hängande ytor

Spel - Syftar till spel mellan två enheter, exempelvis axel och hål Tolerans - Ett måtts tillåtna avvikelse

Avspänningsglödgning - värmebehandling för att ta bort inre spänningar i materialet [1]. Kulpenas - Kallbearbetningsmetod av ytskikt på metalliska material [1].

Sintring - Upphettning av pulver till så hög temperatur att pulverpartiklarna börjar reagera med varandra och växa samman.

BILAGOR

A: Bilder B: Tabell

FÖRKORTNINGAR

AT - Additiv tillverkning, även kallat för tre dimensionell utskrift (3D-Printing) TT - Traditionella tillverkningsmetoder

DMD - Direct Metal Deposition DMP - Direct Metal Printing

DMLS - Direct Metal Laser Sintering, kan även referera till Direkt Metall Laser Schmelzen (tyska), Används av EOS där Schmelzen = melting = smältning

DMLM - Direct Metal Laser Melting EBM - Electron Beam Melting

EBDM - Electron beam direct manufacturing FDM - Fused Deposition Modeling

FFF - Fused Filament Fabrication LC - Laser Cladding

LD - Laser Deposition

LENS - Laser Engineered Net Shaping MAG - Metal Active Gas

MJM - Multi-Jet Modeling MIG - Metal Inert Gas PBF - Powder Bed Fusion TIG - Tungsten Inert Gas SLS - Selective Laser Sintering SLM - Selective Laser Melting PEEK - Polyetheretherketone

Victrex 450G - En typ av PEEK-legering Ti6Al4V - En typ av Titanlegering EDM - Electrical Discharge Machining mm - Millimeter (10−3)

µm - Mikrometer (10−6) M - mega (106)

K - kilo (103)

- Profilens genomsnittliga yta 𝑅

𝑎

- Avståndet mellan genomsnittlig topp och genomsnittlig botten på ytan 𝑅

𝑧

W - watt Pa - 𝑁/𝑚 2 N - Newton

1 Introduktion

I detta kapitel introduceras det företaget där arbetet genomförts och problemställning.

Arbetet har utförts för företaget Nobel Biocare, vilket berör teknik och utvecklingsavdelningen för produktionen i Karlskoga. Företaget är intresserade av att byta ut en del av deras produktion av produkter och verktyg mot additiv tillverkning. I dagsläget tillverkas dessa med traditionella bearbetningsmetoder som fräsning eller svarvning, vissa verktyg köps in från legoleverantör men tillverkas på samma sätt. I detta kapitel kommer en introduktion av företaget att presenteras och därefter problemets karaktär.

1.1 Företaget

Nobel Biocare grundades av Per-Ingvar Brånemark tillsammans med Bofors 1981, och har sedan starten specialiserat sig på implantat baserade tandrenoveringar. Företaget har med tiden växt utanför Sveriges gränser och finns i dagsläget på ett flertal platser runt om i världen. Produktutvecklingen sker på företagets huvudkontor i Zurich (Schweiz) medans produktionen sker i Sverige, USA och Japan. I Karlskoga ligger en av företagets produktionsplatser för skruvar, distanser och implantat [2].

Företaget baserar sin verksamhet på de upptäckter som Per-Ingvar Brånemark gjort om osseointegration, en process där benvävnad kan växa ihop med ett implantat av icke kroppsligt ursprung [2]. För att patientens kropp ska ha möjlighet att växa ihop med implantatet krävs att materialet som används är biokompatibelt. Av denna anledning består implantaten av titan, vilket också var det ämne som brånemark gjorde sina experiment på. På senare tid har även andra material visats sig biokompatibla däribland polymeren polyetereterketon (PEEK). Det ställs höga krav på att företagets produkter inte kontamineras med andra ämnen som inte är biokompatibla. Företagets verktyg som kommer i kontakt med produkterna är därför tillverkade i PEEK eller titan.

1.2 Problemställning

Företaget ställer höga krav på sin produktion vilket leder till att de ständigt utvecklar sin verksamhet. Det finns därav stort intresse av nya produktionstekniska innovationer och dess möjlighet till förbättring av den nuvarande produktionen. Detta ligger bland annat till grund för att både minska kostnader vid framtagning av nya verktyg, men även erbjuda minskade ledtider. Vissa verktyg köps i dagsläget in av legoleverantörer och vid implementering av AT på plats hos företaget skulle exempelvis transporter av dessa verktyg kunna elimineras.

I detta arbete studeras huruvida AT kan säkerställa de kvalitetskrav som finns för befintlig produktion av företagets produkter och verktyg, samt hur lönsamheten kan påverkas av ett produktionsbyte. De väsentliga frågorna som kommer att besvaras är vilken AT-metod som lämpar sig bäst, dess möjlighet att hålla toleranskrav, hållfasthetskrav och formkrav. Slutligen ska även det ekonomiska perspektivet tas i beaktning, hur och om byte av nuvarande tillverkningsprocess är lönsamt eller ej.

1.3 Disposition

I detta delavsnitt presenteras arbetets upplägg.

Kapitel 1 i det inledande kapitlet presenteras företaget och problemställningen. Här ges en introduktion till företaget och vad deras verksamhet består av. Problemställningen ger en bild av varför arbetet är relevant att göra och vilka frågor som behandlas i senare kapitel.

kapitel 2 Kapitlet behandlar arbetets bakgrund, däribland problemet, syftet med arbetet, dess frågeställningar och avgränsningar.

kapitel 3 Detta kapitel presenterar det vetenskapliga ramverket för detta kapitel. Här

diskuteras arbetets bakomliggande teorier som behövs för att besvara arbetets frågeställningar. kapitel 4 Behandlar arbetets metod och arbetsgång och val av denna. Här diskuteras även metodkritik och möjliga felkällor.

kapitel 5 I detta kapitel redogörs arbetets resultat.

kapitel 6 Här sker en diskussion kring arbetets resultat och dess trovärdighet samt huruvida projektmålet uppfyllts.

kapitel 7 Här redovisas slutsats och ifall syfte samt frågeställningarna kunnat besvaras för detta arbete.

2 Bakgrund

I detta avsnitt ska bakgrunden till detta arbete presenteras. Det faktiska problemet, syftet med undersökning av det, vilka frågor som ska besvaras och arbetets avgränsningar.

Nobel Biocare tillverkar implantat, distanser och skruvar. Dessa klassas som företagets produkter och tillverkas enbart av titan.

Vid tillverkning av företagets produkter krävs olika typer av verktyg, bland annat i syfte för fixering och montering. Även dessa verktyg har strikta materialkrav för att inte kontaminera produkterna. Av denna anledning tillverkas dessa verktyg enbart i titan och termoplasten PEEK. Bortsett från att vara ett biokompatibelt material har PEEK även väldigt goda hållfasthetsegenskaper. Det klarar också påfrestningar från arbetsmiljön, då materialet har god resistens mot kemikalier och höga temperaturer, vilket gör detta material väldigt tillämpbart för företagets verktygstillverkning.

2.1 Problemet

Då företagets produkter senare ska sitta i en mänsklig kropp ställs höga krav på dem. Det har sedan innan diskuterats om biokompatibla material men produkterna kräver även rätt utformning. Produkterna är mycket små med komplexa geometrier som kräver mycket bearbetning för att produceras. Att erhålla rätt tolerans är avgörande och är av tidigare nämnd anledning väldigt svårt att uppnå. Detta har lett till att företaget enbart har valt att tillämpa tillverkning i svarvning eller fräsning, då dessa metoder kan garantera rätt form och proportion av produkten. Det finns också många variationer av deras produkter, det gör att det måste finnas många olika maskiner som är redo att producera just de produkter som behövs. Eftersom att komponenterna är mycket små, ger det också stora mängder spill när produkterna produceras.

Vid framtagning av verktyg gäller samma krav på kvalitet för att inte under några omständigheter kunna påverka produkterna eller ge upphov till skada. En del av verktygen har relativt låga volymer, vilket lett till att företaget enbart köper in dessa från leverantörer. Detta leder i sin tur till att företaget är helt beroende av leverantören, vilket kan resultera i olika förseningar vid belastning. Av denna anledning kan en investering i AT ge företaget möjlighet att på plats tillverka delar och produkter utefter behov utan att vara beroende av dessa leverantörer. Att lösa denna typ av problem har också en positiv inverkan på miljön då denna produktion med AT också leder till mindre slöseri av material i processen. Detta ger därför ett positivt avtryck både för omgivningen och ekonomin. Det leder även till bättre förutsättningar inom företaget då fler jobb kan skapas.

För att investera i ett processbyte av denna karaktär finns en del hinder. Det krävs bland annat större kunskap om de parametrar som påverkar det ekonomiska perspektivet för den nya processen samt dess begränsningar, utifrån vad som ska tillverkas. Detta har satt start för detta arbete som en förstudie av AT och dess tillämpning inom nuvarande produktion.

2.1.1 Syfte

Syftet med studien är att undersöka om AT kan hålla nuvarande kvalitetskrav för produktion av verktyg och produkter, samt huruvida denna metod kan leda till ekonomisk fördel. Målet med studien är att till företaget bidra med ny kunskap inom AT och på så sätt skapa underlag för fortsatt arbete.

2.1.2 Frågeställningar

● Vilka AT-metoder lämpar sig bäst för tillverkning av företagets produkter och monteringsverktyg?

● Hur väl kan AT-metoden hålla de kvalitetskrav som ställs mot befintlig produktion? ● Hur påverkar produktionsbytet den ekonomiska aspekten för tillverkning av produkter

och verktyg?

2.1.3 Avgränsningar

Studien kommer att avgränsas mot ett ett fåtal produkter och verktyg som ska undersökas. Verktygen som kommer att studeras används för montering av företagets produkter. Dessa verktyg tillverkas enbart i PEEK och titan. Deras produkter ska även undersökas vilket enbart tillverkas i titan. Legeringarna som används i studiens analys kommer vara identiska med företagets nuvarande, därav kommer inte en studie av andra legeringar för titan och PEEK att genomföras. I studien kommer enbart befintliga AT-metoder att undersökas, utveckling och förbättringar av dessa ingår inte i arbetet. Även metoder under utveckling kommer att utelämnas. Studien omfattar enbart underlag för noggrannhet, lönsamhet och materialets hållfasthet som kan åstadkommas med den nya tillverkningsmetoden.

Lönsamheten avgränsas enbart mot den undersökta detaljen mot nuvarande framtagning. Arbetet omfattar inte en större undersökning av nuvarande produktion kring lönsamheten utan jämförs enbart mot slutpris av detalj. Andra indirekta processer runt om tillverkningen tas inte i beaktning. Det vill säga vid byte av nuvarande produktion kan vissa delar av processen elimineras eller inte längre vara nödvändiga, vilket inte tas i beaktning i detta arbete. Det som omfattas i studien är kostnader från inköp av maskin till färdig produkt. Dessa omfattas av investeringskostnader, materialkostnader, förberedningskostnader, bearbetningskostnader och efterbearbetningskostnader. Hantering av lager och transport är något som inte omfattas av detta arbete då arbetets karaktär ligger i att jämföra tillverkningskostnader av två metoder.

2.2 Företagskontext

Företaget har för närvarande endast tillämpat AT på en nivå som inte omfattar deras produktion. Den nuvarande använda AT-metoden lämpar sig inte för utskrift i de material som används i produktionen, där det finns strikta materialkrav. Företaget vill nu som nämnt undersöka huruvida denna teknik kan tillämpas i produktion.

2.3 Generell industriell kontext

Inom medicinsk utrustning och användning är denna fråga av stort intresse, och i dagsläget bedrivs stora forskningsfrågor inom ämnet. På senare tid har olika implantat, exempelvis ersättning av skelettdelar, tillverkats med hjälp av AT-metoder. Även inom flyg- och bilindustrin har liknande tillämpningar gjorts, där vissa komponenter som innan producerats med traditionella tillverkningsmetoder ersatts av AT.

3

Vetenskapligt ramverk

I detta kapitel redovisas det vetenskapliga ramverket som används för att genomföra studien. Vid större arbeten krävs någon form av projektmetodik för att kunna styra arbetet åt rätt riktning. I detta avsnitt presenteras arbetets projektmetodik och de verktyg som använts för datainsamling samt utvärdering av alla AT-metoder. Avsnittet avslutas med resonemang kring ekonomiskmodell för AT och de olika process stegens inverkan på denna.

3.1 Double diamond

I detta avsnitt beskrivs arbetsmetodiken för denna undersökning samt val av utvärderingsmetoder.

Double diamond är ett projektverktyg för designarbete men principen är lik för de flesta arbeten. Arbetet beskrivs enligt två konvergerande och två divergerande faser [3]. Projektet har därav delats in i fyra liknande faser, skräddarsytt för detta arbete, figur 1.

- Utforskande fasen. Här samlas all information ihop om ämnet. I detta arbete är det stadiet som berör datainsamlingen. Här går arbetet åt ett divergerande stadie, med vilket menas att datainsamlingen växer för att skapa sig en bild om problemet.

- Analyserande fasen. I denna fas av arbetet analyseras all insamlad data mot ett konvergerande stadie, för att endast behålla det som är relevant för arbetet och kunna skapa en bild av problemet.

- Utvärderande fasen. Denna fas av arbete leder till ett divergerande stadie. All fakta som analyserats i föregående fas utvärderas i detta stadie för att hitta möjliga lösningar.

- Beslutande fasen. Den beslutande fasen leder arbetet mot ett konvergerande stadie. All resultat analyseras för att kunna avgöra om frågeställningarna kunnat besvaras och här görs valet om lämpligaste lösningen.

3.2 Datainsamling

Datainsamlingen spelar en central del ett arbetes trovärdighet och överförbarhet för vidare studier [4]. Nedan följer metod för datainsamling och dess olika typer som kan tillämpas genom ett arbete.

Litteratursökning

Litteratursökningar är metoderna som använts för att besvara det som redan är känt inom ämnet. Dessa litteratursökningar har stor betydelse i arbetets trovärdighet för att särskilja mellan fakta och antagande. För detta kan olika databaser användas för att ta fram rapporter inom ämnet, även böcker är en typ av litteratursökning. Här utgör nyckelord stor betydelse då det är dessa som leder till rätt urval av all sökning som görs.

Intervjuer

Intervjuerna utfördes via telefon och mail med olika företag inom additiv tillverkning. Huvudsyftet med intervjuerna var att besvara de frågor som litteratursökningen inte kunde svara på. Frågorna som ställdes hade tyngdpunkt på numerisk data för olika processer och maskiner.

Internet

Dagens internet kan ge ett stort utbud vid insamling eller påläsning om ett visst ämne. Viktigt här är att kunna skilja och se trovärdighet i dessa. Exempelvis kan ett forum ses vara mindre trovärdigt än ett företags hemsida dedikerad för ett visst ämne.

Observationer

Observationer kan ske i form av studiebesök eller praktiskt utförande. Genom att följa upp något fysiskt fås information som teoretiska genomgångar inte kan ge.

Andra källor

Föreläsningar och datablad kan även användas för att samla in data. Dessa kan ge inblick i ämnet eller användas i syfte för att samla in värdedata. Föreläsningar kan även ge möjligheten till att ställa frågor till sakkunniga inom ämnet .

3.3 De sju huvudkategorierna inom additiv tillverkning

Additiv tillverkning (AT) är en mycket omtalad tillverkningsprocess som har dragit till sig stort intresse hos tillverkare det senaste årtiondet. Genom att smälta ihop material lager för lager går det att uppnå friare formgivning jämfört mot traditionella tillverkningsmetoder. Vissa AT-metoder leder till mindre materialspill än vissa traditionella bearbetningsmetoder och leder till färdig produkt, vilket kan resultera till lägre tillverkningskostnader.

Likt alla tillverkningsmetoder finns begränsningar utifrån kvalitetskrav för detaljen som ska produceras även vid AT. Dessa begränsningar leder till att vissa metoder väljs framför andra, då många av metoderna är begränsade till material och noggrannhet. AT-metoder delas in i sju olika huvudkategorier enligt ISO/ASTM52900:2015 [5], dessa listas i figur 2. Kategorierna är uppdelade utifrån hur metoderna sammansätter material och byggmaterialets struktur, därav även materialval [5]. Dessa huvudkategorier delas därefter in i underkategorier, vilket oftast beror på mindre skillnader i processen, exempelvis kompatibla material. Dessa sju huvudkategorier ska nu beskrivas lite närmare.

Figur 2, Additiva tillverkningsmetoder och dess huvud- och underkategorier [5][6].

3.3.1 VAT Photopolymerization

Vat photopolymerization används vid härdning av photopolymer resin, där resinet utsätts för en ljuskälla av en specifik våglängd för att åstadkomma en kemisk reaktion varpå härdning sker. Vid AT används denna metod för att härda resin lager för lager och på så sätt bilda ett tredimensionellt objekt. Denna metod är en av de metoder som leder till snävaste toleranserna inom AT, men är begränsad till photopolymer resin. Detta leder till att material som kräver högre arbetstemperaturer, exempelvis termoplaster och metaller inte är tillämpbara. Figur 3 visar på en typisk maskin för denna metod. Resinet återfinns här i en behållare, under denna återfinns en skärm som utsätter resinet, pixel för pixel, med UV-ljus för härdning. Efter att ett lager är härdat lyfts modellen upp i Z-led för nästkommande lager [5][6].

3.3.2 Material extrusion

Material extrusion (ME), eller på svenska material extrudering, syftar till en additiv tillverkningsmetod, där utskriftsobjektet byggs upp med hjälp av ett filament (byggmaterial i trådform). De vanligaste materialen som används för filamentet är olika typer av polymerer eller kompositer. Filamentet värms upp till materialets smältpunkt, vilket därefter extruderas genom maskinens munstycke i XY-led för att bilda ett lager, figur 4. Detta sker på en byggplatta som sedan justeras ner i Z-led för det nästkommande lager [5][6]. Denna metod är den allmänt vanligaste AT-metoden som används i dagsläget. I denna kategori ingår fused deposition modeling (FDM), vilket även mer allmänt kallas för fused filament fabrication (FFF) [6]. Det finns mindre variationer mellan dessa, exempelvis arbetstemperatur och varumärkesskydd, men hänvisas ofta till samma typ av metod. I detta arbete kommer denna metod hänvisas till FFF.

Figur 4, Schema över material extrusion.

3.3.3 Material jetting

Material jetting är en metod väldigt lik vat photopolymerization, skillnaden här är att photopolymer sprayas över en byggplatta varpå härdning sker med UV-ljus för att bilda ett lager. Lagret sänks ner i Z-led för att repetera samma process tills detaljen byggts färdigt. Denna metod har liknande begränsningar i materialval likt vat photopolymerization, där materialets viskösa samt härdande egenskap är avgörande. Av denna anledning är de mest tillämpbara materialen photopolymerer och vax, vilket har god viskositet för att kunna spraya över byggplattan och goda härndningsegenskaper. I figur 5 visas en överblick för material jetting och dess tillverkningsprocess [4][5].

Figur 5, Schema över material jetting.

3.3.4 Binder jetting

Binder jetting är en metod som använder ett bindmedel för att limma ihop tunna lager med pulver. Processen sker genom att ett tunt lager pulver strös ut över en byggplatta. Skrivarhuvudet rör sig sedan över ytan och sprider ut bindemedlet i önskad form. När lagret är komplett rör sig byggplattan ned och ett nytt lager pulver sprids ut över ytan [6]. Det ihoplimmade pulvret bildar sedan en pulverkropp, som måste värmebehandlas i flera steg för att ge en färdig detalj. Metoden lämpar sig bäst för att producera detaljer som inte har höga krav på hållfasthet, eftersom att detaljer som produceras är relativt porösa [6]. I figur 6 visas en överblick för binder jetting och dess tillverkningsprocess.

Figur 6, Schema över binder jetting.

3.3.5 Powder Bed Fusion (PBF)

PBF är ett samlingsnamn på tillverkningsprocesser där en eller flera energikällor selektivt svetsar samman delar av en pulverbädd [7][8]. En PBF Process startar alltid med en tom underlagsplatta som pudras med ett pulver. Pulvret exponeras sedan för en energikälla som smälter eller sintrar pulvret beroende på vilka egenskaper som är önskvärda. Byggplattan

sänks sedan ner en nivå som motsvarar tjockleken på nästa lager med pulver. Processen repeteras sedan med nya exponeringar och lager av pulver som sammanfogas ovanpå befintliga lager[8]. Detaljen växer tillsammans med med mängden pulver i pulverbädden och måste efter färdigställandet rengöras från överflödigt pulver [8][9]. PBF kan delas in i två undergrupper, electron beam melting (EBM) och laser powder bed fusion (L-PBF), där skillnaden är energikällan som används i processen [9]. EBM metoden kräver material som är elektriskt ledande, vilket gör att denna metod lämpar sig för metaller, medans L-PBF kan användas för både plaster och metaller. L-PBF kan i sin tur delas in i två underkategorier Selective Laser Sintering (SLS) och Selective Laser Melting (SLM). Där SLS refererar till arbete med plast och SLM för arbete i metall. I figur 7 visas en överblick för powder bed fusion och dess tillverkningsprocess.

Figur 7, Schema över powder bed fusion.

3.3.6 Directed Energy Deposition (DED)

Directed energy deposition (DED) är en kategori av AT-metoder som innefattar Laser Engineered Net Shaping (LENS), Electron Beam Additive Manufacturing (EBAM), Direct Metal Deposition (DMD) , Laser Metal Deposition (LMD), Wire Arc Additive Manufacturing WAAM och Laser Cladding (LC) [9]. Till skillnad från PBF-metoderna fördelas materialet över ytan med hjälp av ett munstycke. Munstycket sitter i sin tur monterat på en multi axlig arm. Pulver eller tråd kan användas som tillsatsmaterial beroende vilken underkategori som tekniken avser. Materialet som används i processen smälts med hjälp av laser, plasmabåge eller elektronstråle. DED är enbart användbar på metaller och precis som PBF metoderna byggs detaljen upp lager för lager [6]. DED maskiner kan ha flera olika rörliga axlar, två och tre axliga system har statisk basplatta, där munstycket rör sig uppåt för varje lager. Fyra och fem axliga system kan röra både munstycke och basplatta samtidigt [6][9]. Det finns även typer av hybridmaskiner som är en kombination av CNC och DED, dessa maskiner är kapabla till att både bygga och bearbeta komponenten för färdigställandet i en och samma maskin. I figur 8 visas en överblick för direct energy deposition och dess tillverkningsprocess.

Figur 8, Schema över direct energy deposition.

3.3.7 Sheet lamination

Vid användande av Sheet lamination sammanfogas tunna ark lager på lager för att bilda den färdiga produkten [9]. Metoden kan användas på papper, kompositer och metaller [10]. Sammanfogningsmetoden varierar beroende på de material som används, för papper och kompositer används lim, för metall används ultraljudssvetsning [10]. För att arken som ska sammanfogas ska få rätt form skärs de ut med en laser eller kniv [11]. Metoden är en av de minst noggranna AT-metoderna och används främst för att snabbt bygga prototyper och gjutformar, efterbearbetning krävs nästan alltid [12]. I figur 9 visas en överblick för sheet lamination och dess tillverkningsprocess.

3.4 Tillverkningskostnad

I detta delavsnitt presenteras parametrar som påverkar kostnadsmodellen för additiv tillverkning. För att kunna utvärdera val av AT-metod med hänsyn till lönsamhet bör faktorer som skillnad mellan tillverkningskostnaden för att tillverka detaljen undersökas. För detta kan beräkningsmodellen enligt Atzeni & Salmi (2012) [13] tillämpas, enligt ekvation 1. Implementering av denna kan visa prisskillnad (ΔK) mellan tillverkningskostnader med AT mot nuvarande bearbetning, och på så sätt avgöra om det råder en ekonomisk vinst. Den totala tillverkningskostnaden för AT består av materialkostnad (MK), förberedningskostnad (FK), bearbetningskostnaden (BK) och efterbearbetningskostnaden (EK), ekvation 2.

(1) ∆𝐾 = 𝑇𝑂𝑇𝑇𝐾 𝐴𝑇− 𝑇𝑂𝑇𝑇𝐾𝑇𝑇 (2) 𝑇𝑂𝑇𝑇𝐾 𝐴𝑇= 𝑀𝐾𝐴𝑇+ 𝐹𝐾𝐴𝑇+ 𝐵𝐾𝐴𝑇 + 𝐸𝐾𝐴𝑇 3.4.1 Investeringskostnader

Att investera i AT kan leda till att att annan utrustning än själva maskinen måste köpas in. Som tidigare nämnt kan efterbearbetning krävas vilket leder till exempelvis inköp av värmeugnar och insamlingsstationer för pulver. Även utbildning av personal, installation av maskin och transportkostnader måste ingå i investeringskostnaden.

3.4.2 Materialkostnader

AT-maskiner kräver material i någon form för att kunna tillverka produkter i. Dessa material som tidigare nämnt kan exempelvis komma i form av pulver eller filament.

Materialkostnaden för AT omfattar materialåtgången och pris på råmaterial som används. Materialåtgången styrs oftast av detaljens storlek men kan till skillnad från TT styras ytterligare mer eller mindre och därav minska materialkostnaden vid AT. Exempelvis kan sägas om krav av stödstrukturer krävs för den tillverkade detaljen så ökar materialåtgången och därav ökar även materialkostnaden. Man kan även, som tidigare nämnts, styra detaljens fyllning och därav styra materialåtgången även här och på samma sätt minska materialåtgången.

3.4.3 Förberedningskostnader

Vid AT finns olika parametrar kring förberedning innan utskrift, vilket exempelvis kan innebära förberedelse av utskriftsfil till att förbereda maskinen i sig. Maskinen kräver ibland uppvärmning innan utskrift och påfyllning av pulver eller filament, i vissa fall även kalibrering vid behov. Detta arbete utförs av operatören vilket leder till manuellt arbete. Därav omfattar förberedningskostnader den ställtid som tar att förbereda för utskrift och operatörens timkostnad.

3.4.5 Bearbetningskostnader

Bearbetningskostnaden vid AT omfattar oftast tillverkningstiden och maskinens driftkostnad. Tillverkningstider kan variera beroende på metod och i vissa fall antal tillverkade produkter. För vissa AT-metoder finns valet att kunna tillverka fler detaljer åt gången beroende på maskin och process. Detta leder till att tillverkningstiden per detalj minskar i jämförelse mot om man skulle tillverka en åt gången. Användandet av stödstruktur och detaljfyllnad leder även till ökad tillverkningstid, då mer material måste byggas ut. Den tid det tar att tillverka detaljen resulterar i maskinanvändande, vilket innebär att inget annat jobb kan påbörjas för

tillfället. Maskinen konsumerar även energi vilket kan vara mer eller mindre beroende på maskin. Maskinen kräver även viss underhållning och service. Det ovanstående leder till att maskinen kostar under arbete och därav uppstår en viss driftkostnad för maskninen. Vid estimering av byggtid och materialåtgång för AT kan olika typer av slicers användas, där slicers syftar till AT-programvaror för förberedelse av utskriftsfil. Dessa programvaror ger inte enbart estimering av tid och material men även förslag av olika inställningar, bland annat rekommendationer för lagertjocklek och stödstruktur.

3.4.6 Efterbearbetning

Efterbearbetning kan omfatta olika typer av parametrar däribland manuell och automatiserad sådan. För AT kan efterbearbetning bestå av olika arbetsmoment som avlägsning av stödstruktur, bearbetning av yta, rengöring av restmaterial och värmebehandling av detalj. Vid användandet av PBF krävs efter färdigställande av produkten att man rengör den från överblivet pulver. Detta kan göras med manuell eller automatiserad blästring. Efterbearbetning kan krävas beroende på kvalitetskraven på detalj och utifrån arbetsmiljö som detaljen ska användas i. Efterbearbetningen kan exempelvis omfatta värmebehandling och ytbehandling. För produkter som produceras i metall behövs ugnar av olika specifikation, för att avspänningsglödga eller värmebehandla detaljerna för att de ska uppnå det rätta egenskaperna. Dessa parametrar resulterar i viss maskindriftkostnad samt manuellt arbete och därav en operatörskostnad, i vissa fall även verktygskostnader om så behövs.

3.5 Payback kalkylering

Vid investering i en ny metod kan det vara fördelaktigt att känna till hur lång tid det tar för att investeringen ska betala av sig själv [14]. Till detta används oftast payback-metoden även kallad pay off-metoden eller på svenska för återbetalningsmetoden, ekvation 3.

(3) 𝑃𝑎𝑦𝑏𝑎𝑐𝑘 = 𝐼𝑛𝑣𝑒𝑠𝑡𝑒𝑟𝑖𝑛𝑔𝑠𝑘𝑜𝑠𝑡𝑛𝑎𝑑𝑒𝑟_{𝑘𝑎𝑠𝑠𝑎𝑓𝑙ö𝑑𝑒}

Grundprincipen här är att se över alla de kostnader som ingår i investeringen, exempelvis maskinköp, lokalkostnader för den nya maskinen, transportkostnader, installation och utbildning. Därefter ser man över kassaflödet, med andra ord de pengar som strömmar in och ut som genereras av det nya köpet. Exempel på detta kan vara alla kostnader som används under tillverkning vilket är en utbetalning och därav strömmar pengar ut, försäljning eller vinst kan ses som en intäkt och därav strömmar pengar in. Dessa summeras sedan ihop för det tänkta inbetalningsöverskottet som genereras av investeringen per år. Investeringskostnaden adderas sen med inbetalningsöverskottet och på så sätt kan den tänkta återbetalningstiden beräknas. Vid jämförelse mellan olika tillverkningsmetoder, exempelvis AT och TT, kan inbetalningsöverskottet ses som den vinst som görs ΔK per år. För att få ut dessa parametrar bör man se över processen och vart dessa kostnader uppstår. Vidare diskussion ska nu ske kring dessa.

4

Metod

I detta avsnitt beskrivs arbetsmetodiken för denna undersökning samt val av metod.

I kapitlet nedan redogörs hur arbetsmetodiken har sett ut och hur strukturen i arbete har lett fram till det slutliga resultatet. Metodens svagheter och möjliga felkällor tas upp i slutet av kapitlet.

4.1 Metoder för genomförande

Arbetet strukturerades med hjälp av double diamond metoden, metoden används oftast som ramverk när man tar fram lösningar till ett problem. I detta fall är underlag som ska levereras till företaget lösningen på företagets problem. Nedan ges denna metods upplägg i detta arbete.

4.1.1 Utforskande

I det första och utforskande steget av double diamond samlas information kring problemområdet in. Detta gjordes med hjälp av intervjuer och studiebesöket hos företaget. Studiebesöket ägde rum hos Nobel Biocare i Karlskoga.

4.1.2 Analyserande

I det andra analyserande steget specificerades problemet och vad som behövde uppfyllas för att lösa det, detta gjordes genom att ta fram krav utifrån datainsamling från företaget och deras produkter. I detta steg valdes ett fåtal detaljer ut som referens för detta arbete. Detta gjordes ihop med företaget som tog beslut om de detaljer som de var mest intresserade av att undersöka. Utifrån den undersökta detaljen och den datainsamling som gjorts med företaget kunde på så sätt olika krav specificeras. Dessa krav sattes upp på tabellform för att på så sätt kunna användas vid utvärdering av möjliga lösningar.

4.1.3 Utvärderande

Den tredje utvärderande steget innehåller möjliga lösningar utifrån de krav som sattes upp i det föregående steget. Det gjordes med en ytterligare datainsamling där intervjuer, litteratursökningar , webbinarier, analyser av datablad och elektroniska källor användes. Informationen som här samlades in var utifrån de sju olika AT-metoderna och de som var lämpade utifrån de krav som ställts upp i det föregående steget.

4.1.4 Beslutande

Den avslutande delen beslutade om någon av lösningarna uppfyllde de krav som satts upp, samt om frågeställningarna kunde besvaras. Genomförandet för detta steg delades upp i två delar, till en början undersöktes vilka AT-metoder som är kapabla till att säkerställa detaljens kvalitetskrav och till senare del undersöktes den möjliga lösningen även ekonomiskt för att se dess lönsamhet.

4.2 Metodologiska överväganden

I denna förstudie undersöks bara ett fåtal detaljer, det inverkar stort vilket utfall som rapporten får. Det saknas också praktiska tester som verifierar att den teoretiska mätdatan stämmer med verkligheten. För detta har konsultation av sakkunniga tagits till hjälp för att kunna besvara de delar som datainsamlingen inte kunnat besvara. Även mängden källor som har används har ökats för att på så sätt minimera den felaktiga datans inflytande över det slutliga utfallet. Alla projekt har tidsbegränsningar, så även detta projekt, vilket gör att alla ingående parametrar inte är belysta så mycket som de kanske skulle behöva vara.

Vid undersökning av krav har en subjektiv bedömning utförts. Det vill säga att författarna till detta arbete har kunnat anse vissa krav som bör uppfyllas, men som i själva verket inte nödvändigtvis bör vara sådana. För att minimera dessa felkällor har det varit viktigt att ständigt kunna diskutera och informera företaget om dessa, för att på så sätt kunna finna en åtgärd.

Kostnadskalkylering tillämpas enbart på den/de undersökta detaljen eller detaljerna. Detta leder till ett antal felkällor då maskinen är tänkt att även producera andra detaljer, vilket leder till att uppskattningen i detta arbete inte är helt korrekt. Av denna anledning utförs en öppen kalkylering, vilket innebär en grövre uppskattning av resultatet.

Verktyg som använts för arbetet har varit i syfte för att estimera olika parametrar vid kostnadskalkylering. Dessa har varit nödvändiga för att kunna ta reda på materialåtgång och tillverkningstider. Program som använts för detta syfte är olika AT-programvaror som netfab och intamsuite. Programvarorna ger enbart estimering utifrån förvalda parametrar vilket inte omfattas i detta arbete, detta kan leda till fel estimeringar och ospecifika värden. För att minimera dessa har en viss diskussion kring detta tagits upp för läsaren.

5

Resultat

I detta avsnitt presenteras resultatet av utvärdering av metoderna detaljerna som undersökts. För att följa resultatet i kronologisk ordning har detta kapitel utformats i sex delar. Till att börja med ska utforskning av datainsamling och problemområdet behandlas, som sedan analyseras för att formulera problemet till senare del. Detaljerna som undersöktes i detta arbete presenteras även här och kravspecifikation för vad som bör uppfyllas utifrån analysen. I det tredje avsnittet presenteras alla de sju additiva tillverkningsmetoderna. En redogörelse om vilka som ska undersökas närmare redovisas också i detta kapitel. I de följande två kapitlen utvärderas AT metoderna mot detljernas krav och i det sluliga kapilet analyseras den bästa lösningen utifrån ett ekonomisk perspektiv.

5.1 Utforskning och datainsamling

Under möten och studiebesök samlades information kring företaget och dess produktion av produkter och verktyg. Med företaget valdes ett flertal detaljer ut för undersökning, däribland titanprodukter och PEEK-verktyg. Vid studiebesöket besvarades frågor kring produktionen samtidigt som en observation ägde rum för att se hur verktygen framtas i dagsläget och dess användning.

5.2 Analys av datainsamling och problemformulering

För att kunna utvärdera val av AT-metod måste befintliga kvalitetskrav tas i beaktning för det som ska tillverkas. För detta arbete undersöktes kraven för detalj A och B, figur 10. Utvärdering av huruvida varje AT-metod uppfyller dessa krav kan på så sätt indikera på lämpligaste metod för utförande. Kritiskt är att metoderna uppfyller material-, hållfasthets-och toleranskrav då dessa anses vara av hög vikt. Exempelvis om AT-metoden inte uppfyller materialkravet leder det till att den tillverkade detaljen inte går att använda som tänkt, som diskuterats innan ställs också höga krav på materialet och därav är det avgörande att AT-metoden uppfyller samma krav på materialet.

Figur 10, Detalj A (produkt av titan) till höger och detalj B (verktyg av PEEK) till vänster.

Toleranskrav har samma höga prioritet då dessa säkerställer rätt samspel och korrelation mot andra detaljer i montering. Fel dimensioner och form kan leda till att detaljen inte går att använda som tänkt och för företagets verktyg kan detta leda till skada på produkterna. Vid val av geometriska dimensioner och toleranser som skulle undersökas valdes de minsta och mest komplexa geometrierna och dimensionerna. Valet av dessa utgår från att, om metoden klarar av de svåraste geometrierna och toleranserna kommer de även att klara att producera mindre

komplexa geometrier och toleranser.

Hållfasthetskrav utgör huruvida detaljen är kapabel till det tänkta mekaniska arbetet. Att AT-metoden resulterar i samma hållfasthetskrav som nuvarande bearbetning är därav av stor vikt. Vid kravställande har tabell 1 utformats för att visa på dessa krav. Företaget konstaterade även att minimal efterbearbetning är ett krav för den nya produktionen med AT, då produkterna i titan oftast är mycket små och komplexa. Detta skulle leda till komplikationer och svårigheter vid efterbearbetning. De såg heller inget behov av ett produktionsbyte om efterbearbetning skulle krävas. För PEEK detaljer låg inte samma krav och mindre efterbearbetning ansågs vara godtagbart. Dessa krav måste uppfyllas av AT och därav kommer enbart metoder som kan säkerställa dessa att undersökas närmare.

Tabell 1, Detaljer för undersökning ur befintlig produktion.

Krav Detalj A Detalj B

Materialkrav Titan, Ti6Al4V grade 5 PEEK Victrex 450G Hållfasthetskrav

(Sträckgräns) MPa 870 98 MPa

Geometriska dimensioner och toleranskrav

5.3 Utvärdering av de sju additiva tillverkningsmetoderna

Till en början undersöktes kompatibla metoder utifrån material vilka var PEEK och titan. Utifrån det sju huvudkategorierna och dess kompatibla material, ses i tabell 2, kan man konstatera att PBF och ME är kompatibla metoder för polymerer. De kompatibla metoderna för metaller är PBF, DED, Binder jetting och Sheet lamination. Sheet lamination elimineras efter kravet om att produkten inte ska efterbearbetas efter färdigställandet. Binder jetting och elimineras också för titan eftersom att det inte finns tillräckligt med underlag som visar vilka titanlegeringar som de är kompatibla med[15].

Tabell 2, Additiva tillverkningsmetoder utifrån kompatibla material [5] [16] [17].

AT Metod Polymerer Metaller Kompositer Photopolymerer Annat material Vat photopoly merization

✓

Material extrusion

✓

✓

Material jetting

✓

✓

Binder jetting

✓

✓

Powder bed fusion

✓

✓

Direct energy deposition

✓

Sheet lamination

✓

✓

✓

De kvarvarande metoderna kommer nu utvärderas, mängden information som behövs måste vara tillräckligt stor för att för att i detalj kunna specificera vilka parametrar som gör metoden intressant eller ej.

5.3.1 Fused filament fabrication (FFF)

Denna metod är begränsad till form och för hängande ytor kan stödstrukturer krävas för att kunna möjliggöra tillverkning, vilket kräver en efterbearbetning för att avlägsna strukturen och få en bättre yta vid dessa regioner. Krav på supports gäller för vinklar som är större än

45° [19]. Noggrannheten för denna metod är lägre än andra metoder, generellt sagt kan toleranser på cirka 100-200 μm åstadkommas för industriellt bruk [19][20]. Detta är givetvis något som kan skiljas åt där snävare toleranser har åstadkommits med mindre sannolikhet, lika så kan även sämre toleranser erhållas beroende på maskin och inställningar. Detta ligger till stor grund i begränsning av munstyckets storlek för denna metod, då storleken påverkar hur mycket material som matas ut. Samt tjocklek på varje lager som oftast ligger runt 100-200 μm. Därav går det inte att garantera närmare utmatning till proportionen av detaljen [21]. Gängor är en utformning av detalj som är svår att åstadkomma, med FFF är noggrannheten betydligt svårare att uppnå och rätt form av gänga [22]. Exempelvis går det att säga vid lagertjocklek på 0,2 mm leder detta till att stigningen sällan kan åstadkommas för finare gängor, då dessa parametrar styr dimension i XY- och Z-led [22]. Vidare leder detta till att spel mellan skruv och mutter sällan blir optimal, därav måste även viss ändring av stigning och gäng geometri ske. Uppbyggande av lager leder till att ytjämnheten för FFF tillverkade detaljer oftast blir mycket grov. Vid krav på fin ytjämnhet krävs därav olika typer av efterbearbetning. Även vid avlägsnande av supports kan detta komma att krävas. Vid avlägsning av supports krävs antingen manuellt arbete, där de avlägsnas med hjälp av tång eller pincett, eller med hjälp av lösningsmedel. För att detta ska vara möjligt krävs att supports är utskrivna i annat material än det som används för detaljen, samt att det måste vara lösningsbart. Lösningsbara supports är oftast av material HIPS, PVA eller HydroFill [23]. Denna metod leder även till grövre ytjämnhet vid uppbyggande av lager, som oftast kan ses med ögat. För att erhålla finare ytjämnhet av detalj kan viss efterbearbetning vara nödvändig [23].

5.3.2 L-PBF i (Laser Powder bed fusion) PBF

L-PBF använder, som namnet antyder, en laser som energikälla. Lasern som används kan ha effekt mellan 50 W till 1000 W [9]. Vissa AT maskiner kombinerar flera lasrar vilket gör att man kan producera detaljer fortare, varje laser har då ett eget område på byggplattan där den opererar. Eftersom laser är fotoner av en specifik våglängd passerar de lätt igenom gaser, byggprocessen behöver därför inte ske i vakuum, som den gör i EBM. Kammaren för byggnadsprocessen är istället fylld med en inert gas, exempelvis argon [9]. Laserstrålens tjocklek varierar från maskin till maskin men kan vara mellan 30-500 µm [9]. De tunnaste laserstrålarna, i kombination med ett pulver med små partiklar, möjliggör tunna strukturer ner till mellan 0,3 - 0,4 mm [24][25][26] för titan legeringar. Stödstrukturen är nödvändiga i L-PBF och används dels för att leda bort värme från detaljen under konstruktion, dels för att positionera detaljen så att den inte rör sig under processen [9][27].

L-PBF metoden använder sig av lägre temperatur i byggkammaren, temperaturen kan ligga mellan rumstemperatur upp till 500 grader beroende på vilken maskin som används. Med lägre temperatur på byggplattan blir temperaturvariationer stora, när lasern sveper över ytan. Temperaturvariationerna gör att inre spänningar byggs upp i materialet, det gör att metalldetaljer som producerats i L-PBF måste värmebehandlas efter färdigställandet [9]. Tid och temperatur för värmebehandlingen beror på vilket material som används i detaljen, för material som titan måste behandlingen ske i vakuumugn för att undvika oxidation och förändring av materialets egenskaper [26]. Värmebehandlat titan av legeringen Ti6Al4V Grade 5, som har skrivits ut med lagertjocklek på 40 µm, har hållfasthetsegenskaper som varierar beroende på riktning [26]. I vertikalt led, vinkelrätt från utskriftslagren, fås en genomsnittlig sträckgräns på 1010 MPa och horisontalt, i linje med utskrivna lagren, fås värdet 970 MPa [26].

Ra värdet på ytan varierar beroende på ytans vinkel i förhållande till pulverbädden, pulvrets partikelstorlek och lagrens tjocklek [26]. För relativt tjocka lager på 40 µm med pulver i storlek på 20 - 80 µm, kan vertikala (90 grader) ytor ha Ra värden runt 5-10µm, medan ytor med 30 graders vinkel kan ha så högt Ra som 35-40 µm. För bästa möjliga yta och lägsta Ra-värde måste komponenten kallbearbetas genom kulpening. Man kan då komma ner till ett värde på 2-5 för vertikala ytor (90 grader) och värde på25-35 på ytor med 30 graders 𝑅

𝑎 𝑅𝑎

vinkel [26].

Pulverbäddens storlek för L-PBF varierar mellan 250(B) x 250(L) x 325(H) mm till 400(B) x 400(L) x 400(H) mm för rätblock där B = Bredden, L = Längden, H = Höjden [28][29][30][31]. För cylindriska byggplattor 100(D) x 100(H) mm till 300(D) x 400(H) mm D = diametern på cylindern, och H = Höjden [32][33][34][35][36].

5.3.3 Selective laser sintering (SLS)

Teorin bakom SLS är lik de flesta AT-metoder där detaljen tillverkas lager för lager. Början av denna process är applicering av ett jämt lager med pulver varefter sintring av partiklarna sker, vilket innebär att partiklarna sammanfogas med hjälp av laser under materialets smältpunkt. Likt de flesta AT-metoder sker en krympning i materialet vid kylning, och för att minimera krympning av detalj krävs jämn fördelad temperaturskillnad under utskrift, vilket upptar ungefär 50% av hela tillverkningstiden. Detta är väldigt viktigt för att bibehålla rätt proportion och form för detaljen. Nästkommande lager justeras därefter ned till 80 - 120 μm i Z-led, för att applicera nästkommande lager [37]. När detaljen är klar avlägsnas resterande icke sintrat pulver från detaljen för återanvändning, vilket sker i en insamlingsstation.

SLS i PEEK är för närvarande begränsad till vissa tillverkare och dessutom en mycket kostsam process. Anledningarna till detta ligger i att PEEK i sig är ett väldigt kostsamt material, och till skillnad från andra material med SLS är pulvret icke återanvändningsbart efter tillverkning. Där det uppskattas att cirka 64% av PEEK pulver går åt spillo [38]. Till sin fördel kan SLS tillverka flera detaljer åt gången, vilket gör denna metod tidseffektiv. Generellt är SLS en väldigt precisionssäker metod, vilket resulterar i bättre detaljnoggrannhet. Detta beror på att processen sker dels med pulver vilket kan fördelas finare än exempelvis filament, samt en mer precisionssäker laserstråle [39]. Detta leder även till en mer jämn bindelse mellan varje partikel och lager, vilket kan resultera i bättre hållfasthet. SLS har även till sin fördel färre restriktioner kring hängande ytor, vilket leder till att inga stödstrukturer krävs då pulverbädden ger stöd åt detaljen [40]. Detta ger ett positivt resultat på ytjämnheten och ingen efterbearbetning krävs för att avlägsna stödstruktur. En annan fördel med SLS, vilket även är fallet med flesta AT-metoder, är att delarna som skrivs ut inte nödvändigtvis behöver vara helt solida. Detta då lagren skrivs ut ett åt gången och att det därmed går att styra detaljens inre struktur. Detta är till stor fördel vad gäller detaljens vikt och materialkostnad samtidigt som produktionstiden också kan förkortas. Nackdelen med detta ligger i att detaljens mekaniska egenskaper kan komma att påverkas. För SLS krävs även dränering i detta fall, då icke sintrat pulver blir kvar i detaljen. Vilket leder till att dräneringshål bör konstrueras för att kunna avlägsna resterande pulver [40]. Vilket leder till att detaljen som ska produceras måste utformas med hänsyn till detta.

Noggrannheten för SLS är främst beroende på pulvrets partikelstorlek, men även lagertjocklek som de flesta AT-metoder. Likt andra tillverkningsmetoder krävs rätt utformning av detaljerna till den valda metoden. Olika utformningar och funktioner hos detaljen måste anpassas med hänsyn till de begränsningar som återfinns vid AT [40]. Då AT-metoder inte

uppnår samma precision, i jämförelse mot exempelvis fräsning, kan exempelvis mindre hål komma att deformeras, även rakare ytor eller avrundningar beror på processens parametrar. Detta styrs av partikelstorlek och lagertjocklek, vilket resulterar i att utformningar byggs proportionerligt till dessa. Exempelvis brukar hål inte konstrueras mindre än 1.5 mm i diameter, och kanter samt radier konstrueras med avrundningar på minst 0,4 mm vid SLS. För funktionella utformningar kan dessa parametrar vara mer kritiskt då det kan leda till att detaljen inte går att använda enligt behov. Gängor utgör en sådan funktion där det är kritiskt med rätt utformning, fel utformning av gängor leder till fel spel eller att gängan inte uppfyller sin funktion. Spel syftar till passning mellan två enheter, exempelvis axel och hål. Gängor som inte går att tillverka med AT enligt standard måste oftast anpassas. Särskilt gäller detta för mindre gängor, där viss ändring av stigning och geometri kan krävas [22]. Vid SLS bildas en porös yta, som uppstår vid sintring av pulver, vilket orsakar hög friktion mellan gängans ytor. För enkel montering av gängade detaljer krävs liten friktion och därav gängas oftast en av de ingående detaljerna separat [40].

5.3.4 Electron beam melting( EBM)

EBM metoden tillhör PBF kategorin och använder sig av en elektronkanon som energikälla för att smälta metallpulver [41][42]. Elektronkanonen genererar elektroner som accelereras mot byggplattan, på vägen går strålen igenom ett antal elektromagnetiska spolar. Spolarna fungerar som linser, dessa fokuserar strålen och ger den rätt form. Eftersom att linserna kontrolleras helt elektriskt, möjliggör det att man kan svepa med elektronstrålen mycket snabbt över byggplattan [42]. Med denna teknik kan man smälta pulver på flera ställen samtidigt, vilket leder till kortare smältprocess och därigenom kortare tillverkningstid. Storleken på elektronstrålen varierar beroende på maskin och inställningar under processen, den kan därför vara mellan 1 mm ner till 140 µm i diameter [43][44]. Storleken på elektronstrålen är en av de faktorer som påverkar hur små detaljer maskinen klarar av tillverka.

Eftersom elektroner är laddade partiklar, måste processen ske nära vakuum 5 x 10−5bar , Elektronerna kommer annars att interagera med molekyler i kammaren och därmed sprida strålen på ett icke önskvärt sätt [41]. Användandet av elektroner gör också att metoden bara kan användas på material som är elektriskt ledande [9][41]. Maxeffekten i elektronkanonen ligger oftast vid 3 kilowatt (kW) och över [9][41]. Men under processens gång kan effekten varieras kontinuerligt mellan ett fåtal watt upp till maxeffekt [43]. Det gör att man effektivt kan smälta pulver med partikelstorlekar mellan 45-105 µm, lagren som smälts ihop kan vara upp till 200 µm tjocka[9][45] .

EBM opererar med relativt hög temperatur i pulverbädden. Temperaturen varieras beroende på material, men kan ligga mellan 500-1100 grader celsius [9][46]. Vilket minskar de inre spänningarna i materialet, däribland titanlegeringen Ti6Al4V grade 5 [46]. Avspänningsglödgning kan därför i många fall elimineras från processtegen, vilket gör att man kan producera fler detaljer på kortare tid [9]. Detaljer som produceras i titan har också fördelen att de inte behöver förankras i byggplattan, användandet av gnistbearbetning (EDM) för att separera detaljen från byggplattan behövs därför inte [43]. Under processen sintras pulvret runt detaljen som konstrueras, det gör att stödstrukturer inte behöver användas i samma utsträckning som i andra AT-metoder. Om stödstrukturer används är det främst för att leda bort värme från detaljen som produceras [43].

maskinen kan optimeras för att skriva ut detaljer som är mindre. Vid ett experiment undersökte man de mekaniska egenskaperna på Ti6Al4V grade 5 vid produktion av tunnväggiga delar [47]. För snävare toleranser krävs att man helt ställer om maskinen och använder finare pulver 25-45 µm [47]. Pulvret som används har olika storlek på partiklarna, pulvret delas därför upp efter genomsnittsstorleken på dess partiklar. Om pulvret har 25 - 45 μm i partikelstorlek innebär det att de flesta partiklarna ligger i det spannet. Det finns dock partiklar i pulvret som är större och mindre än genomsnittsstorleken [47]. Lagertjockleken som användes var 25 µm och 50 µm. Ra värdet på de testade detaljerna varierade mellan 30-50 µm, största Ra värdet inträffade för detaljer som producerats med lagertjocklekar på 30-50 µm [47]. Hållfastheten för materialet minskade för detaljerna ju mindre de blev och det lägsta värdet fick detaljen med 0,5 mm i diameter [47]. Brotthållfastheten hade då minskat från från 1000 Mpa till 500 MPA [47]. De minsta strukturerna som EBM metoden enligt GE additive (Arcam) är kapabel till att prestera utan att detaljerna blir sköra vid 0,8 - 1,0 mm [47], Vilket i så fall stämmer väl överens med experimentet då brotthållfasthet ligger runt 800 MPa för detaljer runt 1 mm [47].

Storleken på byggplattan för EBM maskiner varierar mellan 200 mm x 200 mm x 100 mm (BxLxH) upp till 200 mm x 200 mm x 380 mm för bäddar som har formen av ett rätblock, där B = Bredden, L = Längden, H = Höjden [48][49]. För cylindriska bäddar ligger storleken mellan 250 x 380 mm (DxH) och 350 x 430 mm, där D = diametern på cylindern, och H = Höjden [50][51][52].

5.3.5 DED (Directed Energy Deposition)

DED har vissa likheter med FFF i att man använder ett munstycke för att fördela materialet över byggplattan där detaljen ska skapas. Tekniken skiljer sig dock genom att själva smältprocessen sker utanför munstycket [9]. Smältan skapas i ytan på detaljen med laser, plasmabåge eller elektronstråle, material tillsätts sedan i form av pulver eller tråd. Laser kombineras oftast med pulver och kallas då LENS eller LMD. Pulvret transporteras då genom kanaler i munstycket med hjälp av argongas som också används som skyddsgas för processen. Pulvrets tjocklek är oftast av grövre storlek med partikelstorlekar som ligger mellan 50-200 µm [53]. Det gör att vilket i bästa fall ger en ytjämnhet med Ra värden ner till 12 µm. Konstruktionshastigheten för LENS och LMD metoderna kan vara upp till 320 cc/h [54].Munstyckets utformning och laserpunkten avgör hur tunna strukturer som kan uppnås. Lagertjockleken i Z-led kan vara mellan, 0,2 mm upp till 1,5 mm [54]. Stödstrukturer används sällan eller aldrig eftersom man med hjälp av fleraxliga system kan vrida detaljen eller munstycket på sådana sätt att material kan läggas på utan att stödstrukturer behövs . Metoden arbetar med stora temperaturkontraster vilket gör att avspänningsglödgning krävs för att bli av med inre spänningar i materialet [9][54].

När tråd används som material kombineras det oftast med plasmabåge eller elektronstråle, metoderna kallas då för EBAM eller WAAM [55]. Processen påminner då mer om svetsning med Metal Inert Gas (MIG), Metal Active Gas (MAG) eller Tungsten Inert Gas (TIG) . EBAM och WAAM metoder används vid konstruktion av större detaljer, därför räknas avsatt material i kg/h, istället för 𝑐𝑚3/ℎ. Metodens grovhet gör att det inte är av intresse att presentera data för små detaljer som hål, gängor och ytjämnhet. Dessa görs med hjälp av traditionell bearbetning efter detaljens färdigställande. Byggplattform och kammare för DED kan vara stora med fler meter i både höjd bredd och längd [55].

5.4 Utvärdering av detalj A

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 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