Nuläget för additiv tillverkning i metall
JACOB TERSANDER
SIMON BORGEFORS
Nuläget för additiv tillverkning i metall
av
Jacob Tersander
Simon Borgefors
Källa – (VRAM, 2015)
MG105X Examensarbete inom produktframtagning och industriell ekonomi, grundnivå
KTH Industriell teknik och management Industriell produktion
Sammanfattning
Additiv tillverkning är en teknologi som gör det möjligt att tillverka komponenter lager på lager där hela tillverkningen sker i ett digitalt kontrollerat steg där det varken krävs formar eller andra verktyg. Till tillverkningsmetodens största fördelar hör att den snabbt kan ställas om till att producera olika orelaterade produkter och att den kan tillverka mycket komplexa geometrier. Tekniken har genom historien använts till framför allt prototyptillverkning men på senare tid även till kommersiella slutprodukter. Syftet med detta projekt är att utreda om det på ett resurseffektivt sätt är möjligt att ersätta skärande bearbetning med additiv tillverkning vid storskalig produktion i metall. Rapporten inleds med en litteraturstudie där fyra metoder för additiv tillverkning avhandlas i ett tekniskt perspektiv och ett kostnadsperspektiv.
Litteraturstudien innehåller även en presentation av två metoder för skärande bearbetning och en presentation av design for manufacturing och hur kostnaden av en tillverkad produkt beräknas. Resultatet av arbetet visar att additiv tillverkning lämpar sig för volymproduktion under vissa förutsättningar. Vid tillverkning av små geometriskt komplexa produkter är det mer
Abstract
Additive manufacturing is a technology that can produce components layer by layer where the entire production takes place in one digitally controlled step. Neither molds or other tools are necessary. This manufacturing method’s biggest advantages are that it can quickly be changed to produce various unrelated products and that it can produce highly complex geometries. The technology has historically been used primarily for prototyping, but lately also for commercial products. The purpose of this project is to investigate if there is a resource efficient way to replace machining with additive manufacturing for volume production in metal. The report begins with a literature study where four methods for additive manufacturing are discussed in a technical perspective and a cost perspective. The literature study also contains a presentation of two methods for machining as well as a presentation of design for manufacturing and how the cost of a manufactured product is calculated.
Förord
Detta projekt har varit både lärorikt och intressant. Vi författare hade dock inte lyckats så bra som vi gjort utan den hjälp som vi fått under detta arbete. Vi vill därför rikta ett tack till vår handledare Per Johansson som varit ett viktigt stöd under arbetets gång.
Vi vill även tacka Klas Boivie, Bernd Wiedmann, Michael Kardos, Björn Björnström, Anna Grahn, Patrik Lundin, Martin Nielsen och Stefan Thundal för den hjälp de bidragit med genom att delta i intervjuer och svara på våra frågor.
Jacob Tersander & Simon Borgefors
Terminologi
Följande förkortningar kommer att användas i rapporten.
• 3D – Tredimensionell
• CAD – Computer Aided Design • CNC – Computer Numerical Control • DFM – Design For Manufacturing • DMD – Direct Metal Deposition • DMLS – Direct Metal Laser Sintering • EBF – Electron Beam Freeform Fabrication • EBM –Electron Beam Melting
Innehåll
1. Inledning ... 1
1.1 Bakgrund ... 1
1.2 Syfte och problemformulering ... 1
1.3 Metodbeskrivning ... 2 1.4 Avgränsningar ... 2 2. Litteraturstudie ... 4 2.1 Additiv tillverkning ... 4 2.1.1 DMLS ... 5 2.1.2 DMD ... 6 2.1.3 EBM ... 7 2.1.4 EBF ... 8
2.1.5 Sammanfattning av additiva tillverkningsmetoder i metall ... 9
2.2 Skärande bearbetning ... 10
2.3 DFM ... 10
2.4 Kostnad per produkt ... 11
3. Fallstudie och resultat ... 12
3.1 Intervjuer ... 12
3.1.1 Bernd Wiedmann ... 12
3.1.2 Klas Boivie ... 12
3.2 Jämförelse mellan additiva tillverkningsmetoder ... 14
3.2.1 Ekonomiskt perspektiv ... 14
3.2.2 Energiperspektiv ... 15
3.2.3 Teknikperspektiv ... 15
3.3 Jämförelse mellan additiv tillverkning och skärande bearbetning ... 16
3.3.1 Ekonomiskt perspektiv ... 16
3.3.2 Energiperspektiv ... 18
4. Analys ... 19
4.1 Analys av jämförelse mellan additiva tillverkningsmetoder ... 19
4.2 Analys av jämförelse mellan skärande bearbetning och additiv tillverkning ... 20
4.3 Industriell utveckling ... 20
4.4 Slutsatser ... 23
1. Inledning
1.1 Bakgrund
Magnus René, vd för Arcam, beskriver en höftkula i tidningen NyTeknik ”Utan 3D-skrivare hade den inte gått att tillverka. Det är det som håller på att hända nu, att nya produkter med helt nya egenskaper tas fram med tekniken”. I teorin kan en person med tillgång till en 3D-skrivare tillverka vad som helst förutsatt att detaljen kan konverteras till 3D-data (Alpman, 2013). Anledningen till att additiv tillverkning vunnit mark är för att mätta behovet av att tillverka produkter som är geometriskt komplexa och för att förbättra tillverkningsindustrin ur ett optimeringsperspektiv. Konceptet diskuteras allt mer i media och det spekuleras ofta i vilken påverkan additiv tillverkning kommer att ha på tillverkningsindustrin och samhället i framtiden. Begreppet additiv tillverkning definieras enligt Klas Boivie (2015) på följande sätt:
”Additiv tillverkning – En process där material förenas för att skapa objekt från 3D-modelldata, vanligtvis lager på lager, i motsats till skärande bearbetningsmetoder”
Additiva tillverkningsindustrin har rört sig från att enbart fokusera på snabb
prototypframställning till att vara en snabb produktionsteknologi. Priset för 3D-maskiner för tillverkning av plastkomponenter har blivit allt billigare och används allt oftare till kommersiella slutprodukter (Rutter & Sharma, 2014). På senare år har även den additiva tillverkningen i metall tagit fart och blivit allt mer kommersialiserad (Alpman, 2013). Frågan är dock om additiv
tillverkning för metall kommer att få samma utveckling som den för plast. Kommer det i framtiden att bli mer lönsamt att producera fler produkter med hjälp av additiv tillverkning istället för skärande bearbetning?
I detta projekt undersöks därför hur långt utvecklingen kommit inom additiv tillverkning i metall. Dessutom kommer det avhandlas en jämförelse mellan additiv tillverkning och skärande bearbetning för metallprodukter. Metoderna kommer att jämföras utifrån ett ekonomiskt
perspektiv och ett energiperspektiv. Även möjligheterna för att använda additiv tillverkning istället för skärande bearbetning kommer att undersökas. Rapporten baseras på vetenskapliga rapporter och artiklar inom ämnet och intervjuer med experter på området.
1.2 Syfte och problemformulering
Syftet med detta projekt är att ta reda på hur långt utvecklingen inom additiv tillverkning kommit. Är det på ett resurseffektivt sätt möjligt att ersätta skärande bearbetning med additiv tillverkning vid volymproduktion i metall? För att utreda detta kommer vi att undersöka additiv tillverkning ur tre olika perspektiv, ett ekonomiskt perspektiv, ett energiperspektiv och ett teknikperspektiv.
Vår övergripande frågeställning är följande:
• Är det på ett resurseffektivt sätt möjligt att ersätta skärande bearbetning med additiv tillverkning vid volymproduktion i metall?
För att besvara denna fråga har följande underfrågor utarbetats:
• Vilka är de vanligaste metoderna för additiv tillverkning i metall i dagsläget?
• Hur skiljer sig resursförbrukningen mellan additiv tillverkning och skärande bearbetning? • Hur skiljer sig maskinerna åt inom olika tekniker för additiv tillverkning?
1.3 Metodbeskrivning
För att göra välgrundade analyser och ge bra svar på frågeställningen undersöks det hur dagens metoder för additiv tillverkning med metall går till. Litteraturstudien inleds därför med en beskrivning om grunderna i additiv tillverkning. Därefter redovisas fyra metoder för additiv tillverkning i metall ur ett tekniskt perspektiv och exempel på maskiner inom varje teknik. Påföljande del av litteraturstudien innehåller en beskrivning av skärande bearbetning med hjälp av vattenskärning och trådgnist för att ha en möjlighet att jämföra skärande bearbetning med additiv tillverkning. Syftet med projektet är som tidigare nämnt att ta reda på om det är möjligt att genomföra storskalig produktion med additiv tillverkning på ett resurseffektivt sätt. För att ta reda på detta har vi även behandlat DFM och hur kostnaden för att tillverka en komponent beräknas. Detta för att kunna besvara frågeställningen och genomföra en trovärdig analys. För att ytterligare ge stöd till våra slutsatser har den teoretiska informationen från rapporter och artiklar kompletterats med intervjuer med experter och leverantörer inom området. Samtliga av dessa intervjuade personer har deltagit utan ekonomisk ersättning. Den första intervjun
genomfördes med Bernd Wiedmann som är försäljningschef på Eos. Syftet med intervjun var att ta reda på mer om hur maskiner på företaget Eos fungerade och vilken typ av produkter som företagets maskiner lämpade sig för. Vi ville även ta reda på vad han trodde om framtiden gällande additiv tillverkning. Den andra intervjun genomfördes med Klas Boivie som är forskare vid Sintef och syftet med intervjun var att få större kunskaper om additiv tillverkning generellt då han forskar inom området. Den syftade även till att få feedback på det vi kommit fram till dittills under arbetet. Vi har även haft regelbunden kontakt med olika tillverkare av maskiner för additiv tillverkning i metall och aktörer inom skärande bearbetning. Dessa företag har varit GFMS, Omax, Optomec, Eos, Concept Laser och Arcam. De frågor vi haft har framför allt handlat om tekniska och ekonomiska data för företagens maskiner som vi senare använt i våra analyser och jämförelser.
För att på ett mer konkret sätt visa förutsättningarna för att producera en detalj med hjälp av additiv tillverkning har en teoretisk fallstudie genomförts. I fallstudien utreds det hur mycket två komponenter kostar att tillverka och vilken energi som krävs för att tillverka komponenterna. De resultat vi kommit fram till har till stor del baserats på antaganden och värderingar från den information vi delgivits under intervjuerna och från de artiklar och rapporter som vi tagit del av. 1.4 Avgränsningar
• Vi har valt att begränsa undersökningen till additiva tillverkningsmetoder och metoder för skärande bearbetning. Därför ingår inte jämförelser med några andra typer av tillverkningsmetoder.
• Vi har valt att avgränsa rapporten till att enbart avhandla additiva tillverkningsmetoder för metall. Således kommer jämförelsen mellan additiv tillverkning och skärande bearbetning enbart behandla tillverkning av produkter i metall.
• Vi har valt att inte skriva om SLS som har möjlighet att göra additiv tillverkning i metall men inte har samma prestanda som övriga metoder (Hartke, 2011).
• Vi har valt att enbart undersöka den energi och de kostnader som uppkommer under tiden som en detalj tillverkas med hjälp av antingen additiv eller skärande bearbetning. För- och efterbearbetning, start av maskin och liknande ingår således inte i beräkningarna då dessa ej gått att uppskatta på ett trovärdigt sätt.
• Vi har valt att jämföra additiv tillverkning med två metoder för skärande bearbetning. Trådgnist och vattenskärning.
2. Litteraturstudie
Denna del av rapporten inleds med en beskrivning av grunderna i additiv tillverkning. Därefter beskrivs fyra olika metoder för additiv tillverkning med metall. Sedan beskrivs två metoder för skärande bearbetning. Kapitlet avslutas med ett avsnitt om DFM och hur kostnaden per
tillverkad produkt beräknas. 2.1 Additiv tillverkning
Additiv tillverkning samlar en grupp av teknologier som skapar komponenter via framställning lager på lager. Alla dessa tekniker adderar material på ett liknande sätt beroende på hur många material som tillsammans bygger upp slutkomponenten vilket beskrivs i figur 1 nedan.
Figur 1 – Beskriver hur additiv tillverkning genomförs beroende på antal material i slutkomponenten (Boivie, 2015). Det finns i huvudsak två olika metoder för additiv tillverkning. Den ena går ut på att ett lager metallpulver stryks ut över en yta och sedan punktsmälts de områden på vilka man önskar addera material till produkten, sedan stryks ytterligare ett lager ut, och produkten byggs vertikalt. Med den andra metoden tillförs pulvret genom ett munstycke, som likt en limpistol placerar ut smältan som efter avsvalning bildar ett lager på produkten.
Vid tillverkningsprocessen av detaljer kan processen generaliseras till följande steg för de olika metoderna vid additiv tillverkning:
1. Råmaterial och CAD-fil ges till maskin 2. Inställning av parametrar för maskin 3. Produktion av detalj
4. Eventuell efterbearbetning
Nedan beskrivs fyra metoder för additiv tillverkning i metall mer i detalj. Där presenteras information om hur tekniken går till, hur stora serier de olika teknikerna lämpar sig för, vilket material som kan användas och hur snabbt maskinerna kan tillverka komponenter. Det redovisas dessutom energiförbrukning, vilken komponentstorlek metoderna lämpar sig för och kostnad för exempel på maskiner inom respektive teknik.
2.1.1 DMLS
DMLS är en additiv tillverkningsmetod som använder den första av de två metoderna beskrivna i avsnittet additiv tillverkning, en så kallad pulverbädd. Det första som sker i
tillverkningsprocessen är en inmatning av 3D-designdata (figur 2.a) som är ritningen av produkten. Därefter läggs ett tunt lager av metallpulver på plattformen som komponenten ska byggas på (figur 2.b). Efter att varje lager lagts ut smälts pulvret vid de punkter som genererats av de designdata som givits. Dessa punkter identifieras med hjälp av en optisk laser (figur 2.c). Därefter läggs ytterligare lager på (figur 2.d). Lagren smälts därmed samman och bildar i tillslut en komponent.
Figur 2 – Grafisk beskrivning av tillverkningsprocessen vid DMLS-tillverkning (Grunberger & Domröse, 2015).
Kvalitén på slutkomponenten beror på flera saker. Det beror på vilket metallpulver som används, gasflöde och temperatur i kammaren. De defekter som kan uppstå är porositet, bristfällig fusion och ojämna ytor om fel parametrar används. En lösning som används för att undvika dessa defekter är att använda flera övervakningsteknologier. Dessa bevakar maskin- och
laserparametrar, utläggning av metallpulver och smältprocessen (Grunberger & Domröse, 2015). Enligt Greg Morris (Hartke, 2011) kräver DMLS-processen hög kunskap gällande design och om efterbearbetning i form av termisk behandling och polering. 20 % av det totala arbetet sker enligt honom med DMLS, resterande arbete sker före och efter DMLS-processen. Cykeltiden är enligt honom cirka två veckor vid tillverkning av en komponent, där ingår framställande av ritning, DMLS-bearbetning och efterbearbetning. DMLS lämpar sig för serier på från 1 – 10 000 enheter (Hartke, 2011).
Marknadsledaren inom DMLS-tillverkning är företaget Eos (Hartke, 2011). Deras största maskin heter M 400 och har en byggvolym på 40 x 40 x 40 centimeter. Energiförbrukningen för
maskinen är i genomsnitt 16,2 kW. Material som kan användas till Eos DMLS-maskiner är aluminium, kobolt, nickel, rostfritt stål och titan. Tillverkningshastigheten varierar mycket beroende på vilket material som används, för rostfritt stål är hastigheten 2 – 4 mm3/s och för aluminium cirka 7 mm3/s (Eos, 2015). Maskinkostnaden för Eos maskiner börjar på 200 000
euro och går upp till 1 500 000 euro för de största mest avancerade maskinerna (Wiedmann, 2015). Lagertjockleken är mellan 20 och 100 µm (Eos, 2015).
maskinen är mellan 1,5 och 13 kW. Material som kan användas till deras maskiner är rostfritt stål, aluminium, titan, guld, silver och brons. Tillverkningshastigheten beror mycket på vilket material som används och kan variera från 0,28 till 28,8 mm3/s. Maskinkostnaden för en XLine 1000R börjar på 1 500 000 euro (Nielsen, 2015).
2.1.2 DMD
Vid tillverkningsprocessen för DMD fokuseras en laserstråle på metallpulver som matas ut från ett munstycke för att skapa ett lager. Genom att föra lasern fram och tillbaka med hjälp av CNC-kontroll och följa den bestämda ritningen som givits av CAD-design skapas metallkomponenter lager för lager (Krar, 2007). Metoden är mycket lik DMLS-tillverkning, skillnaden ligger i att det används ett munstycke som matar ut metallpulver vid DMD istället för puderbäddstekniken som används vid DMLS-tillverkning (Hartke, 2011). Processen visas grafiskt i figur 3 nedan.
Figur 3 – Grafisk beskrivning av tillverkningsprocessen vid DMD-tillverkning (TWI, 2015).
För att säkra kvalitén på produkten som tillverkas används ett återkopplingssystem som skickar information om smältpoolen till en controller. Denna styr maskinens ingångsvärden såsom laserenergi för att produkten ska få rätt dimensioner (Choi, 2011). Ytjämnheten vid tillverkning med DMD är i ordningen 40 µm (Dutta, 2000).
Tillverkning med DMD lämpar sig för korta serier mellan 1 till 100 komponenter. De största fördelarna med DMD är att metoden har en relativt snabb bygghastighet, det är möjligt att addera nya delar till redan existerande komponenter och det finns möjlighet att bygga delar i storlekar från några centimeter upp till över en meter (Hartke, 2011).
2.1.3 EBM
EBM är en pulverbäddsteknik där pulvret förvärms till cirka 80 % av smälttemperaturen.
Elektroner skapas och ges en potential, sedan fokuseras de med elektromagnetiska linser (spolar) och smälter pulvret enligt CAD-modellen.
När materialet svalnat och stelnat så höjs den omkringliggande ytan och ett nytt lager pulver stryks ut. Processen upprepas och produkten byggs upp ett lager i taget som smälts fast vid det underliggande lagret. Metoden illustreras i figur 4 nedan.
Figur 4 – Grafisk beskrivning av tillverkningsprocessen vid EBM-tillverkning (Mechanical engineering, 2015). Processen sker i vakuum tillsammans med upp till 150 liter heliumgas per produkt för att
förbättra värmeledningen och avkylningen och för att förhindra att elektrisk laddning byggs upp i materialet. Vakuum är nödvändigt för att elektronstrålen ska kunna fokuseras ordentligt, är det inte vakuum så krockar den med molekyler på vägen. Vakuumet förhindrar även kemiska
reaktioner som kan induceras av värmen och renar materialet från smuts genom avgasning. EBM har fördelen att det kan användas till väldigt många olika metaller. Den största nackdelen är att produkten får en något sämre ytfinish än exempelvis DMLS (Hartke, 2011).
Ett företag som använder EBM-tekniken är svenska Arcam vars maskinsystem Arcam Q20 kan göra produkter upp till 35 x 35 x 38 centimeter. Energiförbrukningen är ungefär 7 kW. Material som kan användas är titan, kobolt, aluminium och rostfritt stål (Grahn, 2015). Bygghastigheten ligger kring 36 mm3/s och maskinen kostar 788 000 euro att köpa in (Arcam, 2015).
2.1.4 EBF
EBF är en framväxande tredimensionell teknologi för att tillverka metallkomponenter av hög kvalité. I dagsläget används metoden främst för att skapa reservdelar till rymdfarkoster som befinner sig i omloppsbana (Hartke, 2011).
Teknikprocessen bakom EBF initieras genom att en metallisk matningstråd värms upp och smälts av elektronstrålar där den förändras till antingen periodiska smälta droppar eller en kontinuerlig vätskeström i en vakuumkammare. Produkter bildas när dropparna eller strömmen av metall flyttas över till en svetspool av hög temperatur som befinner sig på redan tillverkade delar. När den uppvärmda metallen svalnat och stelnat har det skapats en tredimensionell metallisk komponent. Metoden illustreras i figur 5 nedan.
Figur 5 – Grafisk beskrivning av tillverkningsprocessen vid EBF-tillverkning (Chen, 2014).
I jämförelse med andra additiva tillverkningsmetoder har EBF en hel del fördelar som exempelvis hög energieffektivitet, snabb tillverkningstid, ren tillverkningsmiljö och den kan användas till många metalliska material (Chen, 2014). Metoden lämpar sig för serier av cirka 1 till 100 komponenter (Hartke, 2011).
Det finns i dagsläget ingen exakt prisuppgift på EBF-maskiner då tekniken ännu befinner sig till stor del på forskningsstadiet. Dock har en aktör, nämligen företaget Sciaky inlett kommersiell försäljning av tekniken sedan slutet av 2014. Deras printer vid namn VX-110 har en byggvolym på 280 x 280 x 280 centimeter. Energiförbrukningen för maskinen är mellan 42 – 60 kW
2.1.5 Sammanfattning av additiva tillverkningsmetoder i metall
Tabell 1 visar en sammanfattning av den viktigaste informationen om respektive tillverkningsmetod med additiv tillverkning.
Tabell 1 – Visar en sammanfattning av den viktigaste informationen om respektive tillverkningsmetod vid additiv tillverkning.
Metod DMLS (Eos) DMLS(Concept Laser) DMD (Optomec) EBM (Arcam) EBF (Sciaky) Kostnad (Tsek) 14 000 14 000 12 000 7 500 - Seriestorlek (st) 1 - 10000 1 - 10000 1 - 100 1 - 100 1 - 100 Material Aluminium, Kobolt, Nickel, Rostfritt stål, Titan Rostfritt stål, Aluminium, Titan, Guld, Silver, Brons Titan, Nickel, Kobolt, Aluminium, Rostfritt stål Rostfritt stål, Aluminium, Titan Rostfritt stål, Aluminium, Titan, Kobolt Energiförbrukning (kW) 16 1,5 - 13 9 7 42 - 60 Byggvolym (cm) 40 x 40 x 40 63 x 40 x 50 90 x 150 x 90 35 x 35 x 38 280 x 280 x 280 Bygghastighet (mm3/s) 2 - 4 0,28 – 29 17 - 50 36 120 – 180
Figur 6 visar hur ytjämnheten beror på vilken typ av additiv tillverkningsmetod som används. Där DMLS visas med blå färg, EBM med röd färg, DMD med grön färg och EBF med lila färg (Hartke, 2011).
2.2 Skärande bearbetning
Skärande bearbetning inkluderar alla metoder som skär bort material för att skapa en komponent. Tillverkningsprocessen börjar ofta med en bit råmaterial och en CAD-fil. Ett exempel på en vanlig metod för skärande bearbetning är vattenskärning som använder ett
högtrycksvattenmunstycke tillsammans med en slip för att bilda komponenter. Metoden har använts sedan 1950-talet och används inom många olika industrier i dagsläget. Metoden passar till serier på mellan 100 och 100 000 produkter och passar till att producera både små och stora komponenter (Hartke, 2011).
Kostnaden för en vattenskärare från företaget Omax är mellan 1 000 000 och 3 000 000 kronor (Omax, 2015). En maskin som är lämplig för serietillverkning av komponenter med en storlek på cirka 1 dm3 är deras maskin Omax modell 2626. Energiförbrukningen för maskinen är i
genomsnitt 22 kW. Material som kan användas till Omax vattenskärare är bland annat rostfritt stål. Tillverkningshastigheten varierar mycket beroende på vilket material som används, för rostfritt stål är hastigheten för att skära ut en komponent beroende på vilken kvalitet man vill ha på slutprodukten. Tillverkningshastigheten beror även på tjockleken i materialet. För lägsta kvalitet är hastigheten cirka 0,69 cm/min vid skärning i tio centimeter tjockt rostfritt stål. För högsta kvalité är hastigheten cirka 0,25 cm/min. Övriga driftkostnader uppgår till mellan 176 och 228 kronor per timme vilket inkluderar vatten och sandkostnad och reparationskostnader.
Kostnaden för en Omax modell 2626 är 1 350 000 kronor (Lundin, 2015).
Den andra metoden vi valt att jämföra med additiv tillverkning är trådgnist. Trådgnist är en ganska ovanlig metod inom skärande bearbetning. Trådgnist bygger på att en tråd sänks ned genom materialet som skall bearbetas via ett borrat hål. Sedan laddas tråden upp av elektricitet tills en urladdning sker. Urladdningen eroderar då materialet kring tråden, detta upprepas med hög hastighet och tråden rör sig sakta i den riktning man önskar skära. Trådgnist har fördelen att det nästan inte sker något verktygsslitage eftersom att ingen direktkontakt mellan tråden och arbetsstycket förekommer. Trådgnist är dock en mycket långsam metod för skärande bearbetning (Reddy m.fl, 2012).
Kostnaden för en trådgnist av modell CUT200 från företaget Georg Fischer Machine Solutions (GFMS) är cirka 170 000 euro. Energiförbrukningen för maskinen är i uppemot 11 kW. Ett flertal material kan användas som exempelvis titan, rostfritt stål och nickel. Tillverkningshastigheten är 400 mm2/min (GMFS, 2015).
2.3 DFM
DFM, eller förmågan att designa smarta produkter, är något som ofta anges som ett problem inom traditionell tillverkning. Produkterna skapas ofta utan att optimeras ur ett helhetsperspektiv. En komponent måste designas inte bara som en smidig detalj, utan som en del i ett system som ska fungera väl i ett större perspektiv. En vanlig metod är att tillverkare upprepar en process där de estimerar totala produktionskostnaden och därefter försöker reducera kostnaden för
montering, delkomponenter och kostnad av stödaktiviteter. När kostnaderna reducerats
analyseras vilken påverkan kostnadseffektiviseringen får på den övriga verksamheten och ett nytt beslut tas gällande om monteringsprocessen bör effektiviseras ytterligare (Storch, 2015).
tillverkning kan den istället göras i ett stycke (Boivie, 2015). Även monteringsbehovet minskar vilket sparar både tid, resurser och miljö. Det är också enkelt att ändra slutprodukten om den skulle visa sig passa dåligt för nästa steg i värdekedjan. Då går det att ändra i CAD-filen och direkt börja producera den nya, förbättrade versionen.
När man arbetar med additiva tillverkningsmetoder så ändras förutsättningarna för vad som är en väl designad komponent. Arbetar man med pulverbäddsteknik måste man till exempel tänka på att pulvret måste kunna avlägsnas mellan lagren. I efterhand måste produkten kunna blåsas ur för att inte oönskat material ska finnas kvar inuti komponenten. Eftersom att stödmaterial måste tas bort i efterhand kommer även designen att förenkla eller försvåra efterbearbetningen och det är en av de största nackdelarna med additiv tillverkning, att mängden efterarbete som behövs ökar (Eos, 2015).
Det går även underlätta produktionen väsentligt genom att designa produkten så att det går att producera flera detaljer på samma gång i samma maskin genom att utnyttja hela byggutrymmet. På det sättet sparar man mycket tid och pengar i produktionen (Eos, 2015).
2.4 Kostnad per produkt
En kostnadsmodell för att beräkna kostnaden per produkt vid tillverkning med additiv tillverkning är enligt Rosen, Stucker och Gibson (2010):
𝐶 = 𝑃 + 𝑂 + 𝑀 + 𝐿 [formel 1]
där C är totala kostnaden för hela serien, P är inköpskostnad för maskin, O är driftkostnad, M är materialkostnad och L är personalkostnad. För att beräkna kostnaden per tillverkad enhet ser formeln ut på följande sätt:
𝐶𝑃 =!!!!!!!! [formel 2]
Där N är antalet detaljer och CP är kostnaden per produkt. Ett viktigt antagande som upphovsmännen till formeln har är att det är samma typ av detaljer som tillverkas. Totala driftkostnaden O beräknas med hjälp av tiden T multiplicerat med driftkostnaden C0 per
tidsenhet:
𝑂 = 𝑇 ∗ 𝐶! [formel 3]
där T är tiden det tar att tillverka detaljerna i timmar och CO är driftkostnaden per timme.
Materialkostnaden beräknas genom följande formel:
𝑀 = 𝑘! ∗ 𝑘!∗ 𝑁 ∗ 𝑣 ∗ 𝐶!∗ 𝑝 [formel 4]
där ks är andelen spillmaterial som förbrukas, kt är material som används vid stödprocesser vid
tillverkningen, N är antalet produkter, v är volymen per produkt, Cm är kostnad per materialenhet
och p är densiteten på materialet. För att beräkna personalkostnaden L används följande formel:
𝐿 = 𝑇! ∗ 𝐶! [formel 5]
där Ti är tiden arbetskraften används och Ci är kostnaden per tidsenhet (Gibson, Rosen &
3. Fallstudie och resultat
Denna del av rapporten inleds med en presentation av de intervjuer som genomförts under projektet. Detta åtföljs av en jämförelse mellan de additiva tillverkningsmetoderna ur ett ekonomiskt, ett tekniskt och ett energiperspektiv. Kapitlet avslutas sedan med en jämförelse mellan EBM, vattenskärning och trådgnist ur ett energiperspektiv och ett ekonomiskt perspektiv. 3.1 Intervjuer
Nedan redovisas innehållet i de olika intervjuer som vi har genomfört.
3.1.1 Bernd Wiedmann
Bernd Wiedmann är försäljningschef på Eos GmbH Electro Optical systems i Tyskland. Han förklarar att Eos produktion i dagsläget främst vänder sig mot tandvårdstillverkare och
flygplanstillverkare då dessa företag har mycket korta serier och föränderliga produkter. Han tror inte att additiv tillverkning för metall i framtiden kommer att lämpa sig för volymproduktion då det i dagsläget alltid är mer lönsamt att använda sig av traditionell tillverkning. Orsaken till detta är att en investering i en av Eos maskiner är mycket stor vilket gör det svårt att få det lönsamt i jämförelse med skärande bearbetning.
Vid tillverkning med Eos maskiner är det flera komponenter som ingår i kostnaden. Dessa komponenter är energiförbrukning, material, personalkostnad och inköpskostnad av maskinen. Enligt Wiedmann är kostnaden för en liten maskin från Eos mellan 400 000 och 500 000 Euro och en större maskin som ska användas i tillverkningsindustrin 1 500 000 Euro.
Materialkostnaden för rostfritt stål är 80 Euro/kilo och för aluminium 145 Euro/kilo.
Energikostnaden är försumbar vid tillverkningen och förbrukningen ligger på cirka 60 kW och personalkostnaden och reparationskostnad per maskin kan beräknas vara mellan 120 000 och 150 000 Euro/år. Bygghastigheten för en maskin från Eos är mellan 2 och 20 mm3/s beroende på material.
De komponenter som med andra ord ingår vid produktion med additiv tillverkning och som skapar kostnader är personal, material, inköpspris och drift.
3.1.2 Klas Boivie
Klas Boivie är forskare på Sintef och har många års erfarenhet av additiv tillverkning, först i Sverige och därefter ett antal år i Norge. Klas anser att framtiden för additiv tillverkning inte är att ersätta dagens produktionstekniker, utan att det snarare kommer att utgöra ett komplement till befintliga produktionslinor.
I nuläget befinner vi oss mitt i en industriell revolution enligt Klas som varit pågående under några decennier. Han anser att revolutionen kommer att pågå ytterligare några år innan additiv tillverkning på allvar slår igenom. Till den punkten har vi dock inte nått i dagsläget.
Anledningen till att additiv tillverkning inte inom överskådlig framtid kommer att kunna ersätta traditionell skärande bearbetning är att det är mycket svårt att få den ytfinish som krävs i många produkter. Det är helt enkelt för svårt att kontrollera ett material som befinner sig i smält
tillstånd, därför krävs ofta ganska omfattande efterbearbetning. Utöver det så saknas de
Den stora revolutionen med additiv tillverkning ligger enligt Klas i att man kan tillföra mer värde till slutprodukterna, snarare än att man byter tillverkningssättet för hela komponenten. Vid produktionen kan det läggas till delar till komponenter som inte gick att lägga till tidigare. Det går även att tillverka produkter i ett stycke istället för att tillverka flera delkomponenter vilken drastiskt minskar mängden montering som behövs.
Enligt Klas kommer additiv tillverkning i framtiden ha många olika tillämpningsområden inom ett flertal branscher men det är redan nu bättre än formsprutning för plast. Det beror på att det är mycket krångligt att byta designer på plastprodukter som är formsprutade, formsprutning är dessutom en teknik som har relativt många designbegränsningar.
Ett av de viktigaste och mest användbara appliceringsområdena för additiv tillverkning är att det kan användas för att vid behov komplettera en skärande tillverkningsprocess för att på ett enkelt och smidigt sett förhöja värdet på slutprodukten. Det möjliggör minimering av både montering och manuella operationer, vilka båda ofta är kostnadsbärande.
I framtiden kommer det viktigaste för företag vara att hitta effektiva designer för sina produkter eftersom produktionslinor blir allt mer flexibla. Detta innebär ett skifte i kompetens hos
företagen och det lägger tyngdpunkten på att producera en produkt som är väldesignad för produktionen.
3.2 Jämförelse mellan additiva tillverkningsmetoder
Efter att vi studerat metoderna DMLS, DMD, EBM och EBF står det klart för oss att det finnsstora skillnader mellan de olika metoderna vad gäller möjligheter, kostnader och energiförbrukning. De resultat vi kommit fram till redovisas nedan.
3.2.1 Ekonomiskt perspektiv
För att jämföra kostnadseffektiviteten för olika volymer har vi skapat en hypotetisk produkt som består av 1 dm3 rostfritt stål och beräknat kostnaden per detalj med hjälp av formlerna givna av Rosen, Stucker och Gibson (2010). Vi har gjort beräkningar där vi gjort ett fall för en produkt med minsta möjliga kostnad där tillverkarens namn åtföljs av (1) och en beräkning för ett fall med största möjliga kostnad där tillverkarens namn åtföljs av (2). För fullständiga beräkningar se bilaga 1. Resultatet av beräkningarna visas grafiskt i figur 7 nedan.
Figur 7 – I figuren visas hur kostnaden per produkt beror av serievolymen för olika additiva tillverkningsmaskiner.
I figur 7 visas att kostnaden per produkt är avtagande ju fler komponenter som tillverkas. Även att kostnaden per produkt minskar med avtagande takt ju fler produkter som tillverkas kan utläsas. I övrigt visar figur 7 även att DMD-teknik är mest lönsam vid volymtillverkning vid ideala förhållanden, Optomec (1). Spridningen mellan det dyraste och det billigaste fallet för Optomec är dock mycket stort. Arcam och deras EBM-teknik har minst spridning mellan den billigaste och dyraste kostnaden per produkt och befinner sig samtidigt på en billig nivå relativt de övriga metoderna. Concept Laser (1) är något dyrare per produkt än Arcam (1) och Optomec (1).
Eos (1), Eos (2) och Concept Laser (2) har utelämnats ur diagrammet på grund av att de är betydligt dyrare än övriga metoder vid serietillverkning. För att se fullständig kostnad för dessa maskiner se bilaga 1. På grund av att EBF ännu befinner sig till stor del på forskningsstadiet har vi utelämnat den metoden från kostnadsjämförelsen då vi anser att det inte är möjligt att göra en rättvis uppskattning av kostnaden per detalj för denna metod.
0 5000 10000 15000 20000 25000 2000 2700 3400 4100 4800 5500 6200 6900 7600 8300 9000 9700 10400 11100 11800 12500 13200 13900 14600 15300 16000 16700 17400 18100 18800 19500 Ko st na d pe r p ro du kt
Antal produkter per serie
3.2.2 Energiperspektiv
För att jämföra energieffektiviteten för olika volymer har vi skapat en hypotetisk produkt som består av 1 dm3 rostfritt stål där vi jämfört energiförbrukningen mellan de olika metoderna. Vi har gjort beräkningar där vi gjort ett fall för en produkt med minsta möjliga energiförbrukning och en beräkning för ett fall med största möjliga energiförbrukning. För fullständiga beräkningar se bilaga 1. Resultatet av beräkningarna visas grafiskt i tabell 2 nedan.
Tabell 2 – Tabell över energiförbrukning för olika additiva tillverkningsmetoder Företag (Metod) Eos (DMLS) Concept Laser (DMLS) Optomec (DMD) Arcam (EBM) Sciaky (EBF) Bästa fallet (kWh) 1100 15 50 54 93 Sämsta fallet (kWh) 2300 13000 150 54 97
Det vi ser i tabell 2 är att Concept Lasers DMLS-maskin har den lägsta energiförbrukningen i det bästa fallet men samtidigt den högsta energiförbrukningen i det sämsta fallet. Eos DMLS-maskin har en hög energiförbrukning i både det bästa och det sämsta fallet relativt de övriga metoderna. Arcam har ingen spridning mellan det bästa och sämsta fallet och har en låg energiförbrukning i jämförelse med de övriga additiva tillverkningsmetoderna. Optomec med sin DMD-maskin och Sciaky med deras EBF-maskin har relativt lika medeltal för energiförbrukningen mellan det sämsta och det bästa fallet.
3.2.3 Teknikperspektiv
De tekniska skillnaderna som vi kan se mellan de olika metoderna är bland annat att EBF skiljer sig från de övriga genom att inte använda sig av metallpulver utan istället matningstråd vid tillverkning av metallprodukter. Att maskinen använder matningstråd eller pulver påverkar framför allt kvalitén på ytjämnheten vilket är tydligt i figur 6. Ytan blir överlag jämnare vid användning av pulver (Boivie, 2015) vilket innebär att EBF som använder matningstråd inte bör användas till produkter med höga krav på ytjämnhet då den metoden kräver mer efterarbete. Byggvolymen för de olika systemen skiljer sig även den mellan de olika metoderna. EBF har den största byggvolymen på cirka 22 m3 och de övriga har en byggvolym som understiger 1,5 m3. Detta innebär att de flesta maskinerna lämpar sig för relativt små produkter alternativt
delkomponenter till större helheter. EBF har dock möjlighet att tillverka större komponenter i ett stycke vilket är fördelaktigt ur en monteringssynpunkt.
DMLS sticker ut från de övriga metoderna genom att lämpa sig för upp till 10 000 produkter (Hartke, 2011). Det som dock bör tas i beaktning är att dessa produkter inte bör vara alltför stora då byggvolymen är begränsad och bygghastigheten betydligt långsammare för DMLS än för övriga metoder. Det bör dessutom vara produkter med höga krav på ytjämnhet då DMLS är metoden med bäst prestanda på det området.
Hastigheten vid produktion skiljer sig även den markant mellan de olika metoderna och befinner sig mellan 0,3 och 180 mm3/s. EBF har det snabbaste uppmätta värdet och DMLS är den
3.3 Jämförelse mellan additiv tillverkning och skärande bearbetning
Nedan redovisas resultat av vår jämförelse mellan additiv tillverkning med EBM och skärande bearbetning med vattenskärning och trådgnist vid tillverkning av två olika produkter.
3.3.1 Ekonomiskt perspektiv
För att jämföra kostnadseffektiviteten för olika volymer har vi skapat två hypotetiska produkter i rostfritt stål och sedan beräknat kostnaden per produkt. Dessa produkter visas i figur 8 och figur 9 nedan.
Figur 8 – Produkten Rätblock
Figur 9 – Produkten Kors
tillverkning av Rätblock. För fullständiga beräkningar se bilaga 1. Resultatet av beräkningarna visas grafiskt i figur 10 och figur 11 nedan.
Figur 10 – I figuren visas hur kostnaden per produkt beror av serievolymen vid tillverkning av produkten Rätblock med vattenskärning, trådgnist och EBM-teknik.
Figur 11 - I figuren visas hur kostnaden per produkt beror av serievolymen vid tillverkning av produkten Kors med vattenskärning, trådgnist och EBM-teknik.
I figur 10 visas det att vid serieproduktion är det mer lönsamt att använda sig av vattenskärning med Omax maskin och trådgnist med GFMS maskin när man tillverkar Rätblock. När
komponenten blir mer komplex som produkten Kors är blir skillnaden mellan EBM-tillverkning, vattenskärning och trådgnist mindre vilket syns i figur 11. Vid tillverkning med bästa ytjämnhet av produkten Kors med vattenskäraren blir kostnaden per produkt till och med dyrare än vid additiv tillverkning. För Arcams maskin är kostnaden per produkt mindre vid tillverkning av Kors än vid tillverkning av Rätblock. För Omax och GFMS maskin är kostnaden per produkt större vid produktion av Kors än vid produktion av Rätblock.
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 2000 2800 3600 4400 5200 6000 6800 7600 8400 9200 10000 10800 11600 12400 13200 14000 14800 15600 16400 17200 18000 18800 19600 Ko st na d pe r p rd okt
Antal produkter per serie
Tillverkning av Rätblock
Arcam (1) Arcam (2) Omax (1) Omax (2) GFMS (1) GFMS (1) 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 2000 2700 3400 4100 4800 5500 6200 6900 7600 8300 9000 9700 10400 11100 11800 12500 13200 13900 14600 15300 16000 16700 17400 18100 18800 19500 Ko st na d pe r p ro du kt
Antal produkter per serie
Tillverkning av Kors
3.3.2 Energiperspektiv
För att jämföra energieffektiviteten för olika volymer har energiförbrukningen beräknats vid framställning av produkten Kors och produkten Rätblock. Beräkningarna har gjorts för ett fall med minsta möjliga energiförbrukning och för ett fall med största möjliga energiförbrukning. För fullständiga beräkningar se bilaga 1. Resultatet av beräkningarna visas grafiskt i tabell 3 nedan. Här ser man även att till skillnad från vid traditionell tillverkning så betyder inte en ökning i komplexitet även en ökning i kostnad när man använder additiv tillverkning.
Tabell 3 – Tabell över energiförbrukning med Arcams EBM-teknik, Omax vattenskärningsteknik och GFMS trådgnistteknik Företag (Metod) Arcam Kors (EBM) Omax Kors (Vattenskärning) GFMS Kors (EDM) Arcam Block (EBM) Omax Block (Vattenskärning) GFMS Block (EDM) Bästa fallet (kWh) 10 36 31 27 5 5 Sämsta fallet (kWh) 10 99 31 27 15 5
4. Analys
I detta avsnitt analyseras resultaten som framkommit i tidigare avsnitt. Kapitlet inleds med analyser av jämförelsen mellan additiva tillverkningsmetoder och jämförelsen mellan EBM, trådgnist och vattenskärning. Därefter avhandlas en analytisk del om industriell utveckling inom additiv tillverkning där framtiden för området diskuteras. Avsnittet avslutas sedan med de slutsatser vi kommit fram till i projektet.
4.1 Analys av jämförelse mellan additiva tillverkningsmetoder
Det som är gemensamt för alla metoder är att kostnaden per tillverkad detalj minskar ju längre serie som tillverkas. Detta är logiskt då maskininköpet får en mindre inverkan ju fler produkter som tillverkas. Att kostnadsminskningen avtar ju längre serier som tillverkas beror på att de rörliga kostnaderna får en allt större inverkan på kostnaden per produkt ju fler produkter som tillverkas. Vid kostnadsjämförelsen förvånar det oss att DMLS-maskinen tydligt avviker från de övriga gällande kostnad per detalj vid volymtillverkning. Detta skiljer sig från den teori som vi tagit del av för att bygga upp litteraturstudien där DMLS lämpade sig för längre serier. Detta kan bero på att Hartke (2011) främst syftade på serietillverkning av mycket små produkter som exempelvis kretskort där tidsaspekten inte får samma inverkan på kostnaden och det är ytjämnheten som är avgörande. Det kan även bero på att Eos är det företag som sålt flest
maskiner i världen på additiva marknaden för metall vilket gjort att de i vissa företag används för längre serieproduktion trots att andra tillverkningsmetoder skulle passa bättre.
EBM och DMD befinner sig närmare varandra vad gäller kostnad per produkt vid
serietillverkning på en betydligt billigare nivå än DMLS. Den viktigaste orsaken till detta är att DMLS har en betydligt långsammare bygghastighet än EBM och DMD vilket påverkar både personal-, energi- och reservdelskostnaden per produkt. Samtidigt är det viktigt att beakta att de data som vi använt vid våra beräkningar befinner sig inom stora intervall vilket gör att resultaten vi har får en viss osäkerhet. Sammantaget visar dock våra resultat att det troligen är EBM-tekniken som lämpar sig bäst för volymtillverkning ur ett kostnadsperspektiv då skillnaden mellan kostnaden per produkt är liten mellan det bästa och sämsta fallet och att båda dessa fall befinner sig på en billig nivå relativt övriga metoder. Detta resultat är dock inte nödvändigtvis detsamma om för- och efterbearbetning även tas med i beräkningarna.
Energieffektiviteten hos maskinerna beror även den mycket på vilken bygghastighet som additiva tillverkningsmetoderna har möjlighet att producera nya detaljer med och effekten som maskinerna kräver för att drivas. Detta eftersom maskinerna drar mer energi ju mer de används. Viktigt att beakta är dock att vi i våra beräkningar enbart beräknat energiförbrukningen som maskinen kräver. I verkligheten tillkommer betydligt fler komponenter som har en inverkan på den totala energiförbrukningen som exempelvis framställning av råmaterial. Att DMLS drar överlägset mest energi per tillverkad enhet beror troligen på att metoden har bäst kvalité på slutprodukten i form av ytjämnhet och därmed bygger långsammare. Detta resultat motsäger dock precis som kostnadsanalysen att DMLS skulle lämpa sig för större serier av produkter än EBF, EBM och DMD. EBM har lägst medelförbrukning och lämpar sig därmed troligen bäst för volymtillverkning även ur ett energiperspektiv.
produkter som inte har höga krav på ytjämnhet men däremot krav på att produkterna tillverkas med högre hastighet.
Vid beräkningarna för jämförelsen mellan de additiva tillverkningsmetoderna har vi behövt göra ett antal antaganden. Dessa antaganden gör att våra beräkningar inte ensamt bör användas vid värdering av olika tillverkningsmetoder då vi valt att fokusera på processen som sker i maskinen. Vi har alltså valt att avstå från att ta med kostnader för bearbetning före och efter behandling i den additiva tillverkningsmaskinen. Vid beräkningarna har vi använt siffror vi fått från olika företag. Eftersom att det finns stora variationer beroende på förutsättningarna för maskinen blir omfånget på de data vi erhållit brett. Det gör att beräkningarna aldrig kan bli helt exakta. 4.2 Analys av jämförelse mellan skärande bearbetning och additiv tillverkning
Resultaten vi kommit fram till är helt i enlighet med den litteratur och den information vi delgivits av aktiva experter på området. I dagsläget är det mer resurseffektivt att serietillverka enkla produkter med skärande bearbetning både energimässigt och ekonomiskt. Orsaken till att skärande bearbetning är väldigt mycket billigare än additiv tillverkning vid dessa tillfällen är att materialet blir mycket billigare när det inte behöver vara i pulverform. Det blir även stor skillnad på grund av att skärande bearbetning har möjlighet att tillverka produkterna betydligt snabbare än additiv tillverkning. I våra intervjuer har det framkommit att additiv tillverkning passar för kortare serier av produkter med hög komplexitet. Additiv tillverkning används redan idag som komplement till befintliga produktionslinor för tillverkning av delkomponenter till en större helhet. Dagens användare återfinns främst inom flygindustrin och medicinteknikbranschen. Vid vår fallstudie har vi även kommit fram till att serietillverkning av mycket komplexa
produkter troligen är mer lönsamt att tillverka med additiva metoder. I figur 10 och figur 11 visas det tydligt att ju mer komplex produkten blir desto mindre blir fördelen av att använda
vattenskärning och trådgnist istället för EBM-teknik. Tillverkningstiden med additiv tillverkning är näst intill oberoende av komplexiteten på slutprodukten vilket inte är fallet för vattenskärning och trådgnist där fler och längre skär innebär längre tillverkningstid. Detta innebär att additiv tillverkning är mer resurseffektiv än skärande bearbetning när slutprodukten når en hög komplexitet.
Vid våra beräkningar för jämförelsen mellan skärande bearbetning och additiv tillverkning har vi behövt göra ett antal antaganden. Detta medför att våra resultat innehåller en viss grad av
osäkerhet. Att vi ändå använder oss av fallstudien är för att den trots de osäkra siffrorna på ett tydligt sätt visar att marginalnyttan av att inte använda en additiv metod minskar ju mer komplex en produkt är.
4.3 Industriell utveckling
Vi anser att additiv tillverkning är en radikal innovation som har potential att revolutionera tillverkningsindustrin. Metoden handlar snarare om processinnovation än produktinnovation då metoden främst syftar till att förbättra effektiviteten i företags produktion. I dagsläget är det främst företag med korta serier som använder sig av additiv tillverkning då dess möjligheter att tillverka olika produkter är mycket stora i jämförelse med traditionella stela produktionslinor (Boivie, 2015).
Användningen av additiv tillverkning är inte en ny metod utan har använts i tusentals år vid tillverkning av exempelvis drejning av krukor. Det finns även ett flertal exempel på djur i naturen som använder sig av additiv tillverkning. Exempel på djur som använder detta är fåglar och bin och de lyckas till och med bättre än dagens maskiner (Boivie, 2015).
Additiv tillverkning kan ses som en både kompetenshöjande och kompetensförstörande
innovation beroende på hur framtidens utveckling kommer att se ut. I dagsläget ersätter den inte befintliga tillverkningsmetoder utan ger snarare möjligheter till att producera nya produkter. I framtiden finns det dock möjlighet att additiva tillverkningen kommer att ersätta delar av dagens produktionslinor på ett sätt liknande det miniräknaren ersatte räknestickan på 1970-talet. Detta skulle då leda till att additiv tillverkning skulle ses som kompetensförstörande.
Spridning av en ny teknologi beskrivs ofta med en så kallad S-kurva. Den visar förhållandet mellan antalet användare av en ny teknologi och tiden (Schilling, 2013).
Figur 12– S-kurva som visar förhållandet mellan antalet användare av en ny teknologi och tiden (Boivie, 2015).
Figur 13 – Visar var i användarcykeln additiv tillverkning befinner sig (Boivie, 2015).
Vi befinner oss i nuläget i olika lägen av S-kurvan beroende på vilken produkt som framställs. Som vi ser i figur 12 är det additiv tillverkning med metall som kommit allra kortast och ännu befinner sig i mitten av innovatörstadiet. Kunderna inom additiv tillverkning med metall är främst flygindustri, medicinsk teknik och rymdforskning vilka ofta är mer vågade än övriga branscher vid sina investeringar. De är bekväma med en hög grad av komplexitet och osäkerhet tack vare sin ofta goda tillgång på kapital. Prototypframställning utmärker sig också enligt Klas Boivie (2015) eftersom det nått ända till den senare majoriteten där det främst finns investerare med mer begränsade tillgångar som vill vara säkra på att innovationen de investerar i ger avkastning. Slutsatsen vi dock kan dra är att det finns en stor potential inom additiv tillverkning för metall där utvecklingen bara börjat.
Framtidens utveckling för additiv tillverkning i metall kan föra med sig både positiva och negativa förändringar både socialt och ekonomiskt. De positiva sociala förändringarna som vi anser kommer att uppstå är en ny marknad för arbetskraft som har möjlighet att sysselsätta många människor. Tack vare en ökad resurseffektivitet kommer troligen även miljöpåverkan att minska vid en utveckling mot mer användande av additiv tillverkning. I dagsläget placeras många industrier i låglöneländer långt ifrån sina slutmarknader för att minimera
produktionskostnaden. Eftersom additiv tillverkning inte kräver ett stort antal operatörer och kan skapa de flesta geometrier är det möjligt att fler lokala produktionsplatser kan uppstå vilket skulle medföra lägre behov av långa transporter.
De negativa sociala förändringar som kan uppstå är att på grund av automatiseringen som additiv tillverkning innebär kan många av dagens traditionella arbeten inom tillverkningsindustrin komma att försvinna. Detta skulle innebära att tillverkande företag skulle behöva fördela om arbetskraften till nya uppgifter i den mån det är möjligt och antagligen säga upp ett flertal anställda. Det är även möjligt att mycket av den befintliga produktionsutrustning som kan ersättas med additiv tillverkning förlorar sin funktion och skrotas vilket är negativt om det inte finns nya potentiella användningsområden för gamla produktionslinor.
i de begränsningar som additiv tillverkning har i exempelvis byggvolym och
materialanvändning. Dessa begränsningar skulle då medföra att företag skulle behöva ha flera alternativa produktionslinor beroende på vilken produkt som tillverkas.
4.4 Slutsatser Vår frågeställning var:
• Är det på ett resurseffektivt sätt möjligt att ersätta skärande bearbetning med additiv tillverkning vid volymproduktion i metall
Vi har kommit fram till att det är möjligt under vissa förutsättningar. Vid tillverkning av små geometriskt komplexa produkter är det troligen mer resurseffektivt att använda additiv tillverkning vid volymproduktion då tillverkningshastigheten är oberoende av slutproduktens komplexitet. Exempel på produkter är flygplansdelar och implantat inom
medicinteknikbranschen eller små kretskort. Vid längre serier där produkterna är lika varandra är det dock ännu fördelaktigt både energimässigt och ekonomiskt att använda skärande bearbetning. Vi har även besvarat underfrågorna:
• Vilka är de vanligaste metoderna för additiv tillverkning i metall i dagsläget? De vanligaste teknikerna är EBF, EBM, DMLS och DMD.
• Hur skiljer sig resursförbrukningen mellan additiv tillverkning och skärande bearbetning? Vid skärande bearbetning förbrukas betydligt mindre energi än vid additiv tillverkning då längre serier av icke-komplexa produkter produceras. Det är dessutom betydligt bättre ur ett ekonomiskt perspektiv att använda skärande bearbetning vid dessa serier. Vid kortare serier kan det dock vara mer lönsamt att använda additiv tillverkning då maskinen lätt kan ställas om. Vid
tillverkning av mycket komplexa produkter är additiv tillverkning även mer resurseffektivt vid serietillverkning då tillverkningstiden är oberoende av produktkomplexiteten. Vid skärande bearbetning ingår mer ställtid ju mer komplex produkten är.
• Hur skiljer sig maskinerna åt inom olika tekniker för additiv tillverkning?
De skiljer sig på flera sätt gällande både teknik, ekonomi och energiförbrukning vilket redovisas i kapitlet Fallstudie och resultat.
• Finns det någon av metoderna som är särskilt väl lämpad för volymproduktion i metall? Vi har kommit fram till att EBM är den additiva metod som lämpar sig bäst för längre serier i metall. Metoden är dock långt ifrån att på ett resurseffektivt sätt ersätta skärande bearbetning.
Sammanfattningsvis kan vi säga att additiv tillverkning med metall ännu befinner sig i början av sin utveckling. Både vi, forskare och företag aktiva inom området anser dock att
utvecklingspotentialen är enorm. I framtiden kommer troligen metoden appliceras inom allt fler branscher och områden vilket skulle innebära storslagna förändringar för tillverkningsindustrin. Under vårt arbete har vi behövt göra många avgränsningar vilket uppmuntrar till vidare
• Undersöka skillnader mellan additiva tillverkningsmetoder och skärande bearbetning där man faktiskt tillverkar produkter för att få större tillförlitlighet för de resultat man
kommer fram till.
• Mer grundlig jämförelse gällande vilken additiv metod som passar för vilken typ av tillverkning.
• Undersökning av fler potentiella tekniker för additiv tillverkning i metall
• Undersökning av fler aktörer inom additiva marknaden och marknaden för skärande bearbetning.
• Genomföra jämförelser med fler skärande bearbetningstekniker som exempelvis CNC-tillverkning.
• Undersökning av produkter som är ännu mer anpassade för den tillverkningsmetod som undersöks då de produkter vi undersökt mer effektivt kan påverkas med exempelvis pressgjutning. Undersöka ännu mer komplexa produkter för additiv tillverkning exempelvis.
5. Referenser
Otryckta källor
Boivie, Klas. Forskare, Sintef (2015). Intervju. 2015-04-07
Grahn, Anna. Assistent till VD, Arcam (2015). Mailkontakt 2015-03-06 Kardos, Michael. Vice VD, Optomec (2015). Mailkontakt 2015-03-07
Lundin, Patrik. Omax distributör, HydroCut AB (2015). Telefon- och mailkontakt 2015-04-21 Nielsen, Martin. Produktchef, Concept Laser (2015). Mailkontakt 2015-04-07
Wiedmann, Bernd. Försäljningschef, Eos (2015). Intervju 2015-03-05 Tryckta källor
Chen, B. m.fl (2014), A three dimensional transient model for heat transfer and fluid flow of weld pool during electron beam freeform fabrication of Ti-6AI-4-V, International journal of heat and mass transfer
Choi, J. m.fl (2011), Additive manufacturing by direct metal deposition, Mbraun
Dutta, D. m.fl (2000), Closed loop direct metal deposition: art to part, Optics and lasers in engineering
Gibson, Ian & Rosen, David & Stucker, Brent (2010), Additive manufacturing technologies, Springer
Hartke, Kevin (2011), Direct digital manufacturing, Manufacturing Technology Support Krar, Steve (2007), Direct metal deposition, Manufacturing at the speed of light
Reddy, C m.fl (2012), Growth of Electrical Discharge Machining and Its Applications – A Review. International Journal of Engineering Research and Development
Rutter, A. & Sharma, V. (2014), Low volume, agile, additive manufacturing and capital cost. Type A Machines
Shilling, Michelle (2013), Strategic Management of technological innovation, Mcgraw Hill Tidningar och tidskrifter
Domröse, Robert & Grunberger, Thomas (2015). Direct metal laser sintering, Laser Technik Journal, (1), 45-48
Elektroniska källor
Alpman, Marie (2013). Äntligen förstår folk vad vi gör. NyTeknik. URL:
Arcam. URL: http://www.arcam.com/wp-content/uploads/Arcam-Q20.pdf. Hämtad 2015-04-23
Eos. URL:
http://ip-saas-eos-cms.s3.amazonaws.com/public/9f24ce9ec18a70d9/d5868bc24b7ee63b5551537b811ad771/EOS_ System_Data_Sheet_EOS_M_400_en.pdf. Hämtad 2015-04-14
Eos. URL: http://www.eos.info/material-m. Hämtad 2015-04-14 Eos. URL:
http://ip-saas-eos-cms.s3.amazonaws.com/public/5f84f5d2c88ac900/05fb1582834a38c85ef6dd859733a230/EOS_ StainlessSteel-GP1_en.pdf. Hämtad 2015-04-15
Eos. URL:
http://ip-saas-eos-cms.s3.amazonaws.com/public/8837de942d78d3b3/4e099c3a857fdddca4be9d59fbb1cd74/EOS_ Aluminium_AlSi10Mg_en.pdf. Hämtad 2015-04-14
Eos. URL:
http://dmlstechnology.com/images/pdf/EOSINT_M_270.pdfhttp://ip-saas-eos-cms.s3.amazonaws.com/public/8837de942d78d3b3/4e099c3a857fdddca4be9d59fbb1cd74/EOS_ Aluminium_AlSi10Mg_en.pdf. Hämtad 2015-04-14
Eos. URL:
http://ip-saas-eos-cms.s3.amazonaws.com/public/82db7254b6ad29b1/6689f4e684fd737991c983bfc785fced/basic_ design_rules_plastic.pdf. Hämtad 2015-04-29 GFMS. URL: https://www.google.se/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&ved=0CCAQFjAA&ur l=http%3A%2F%2Fwww.georgfischer.com%2Fcontent%2Fdam%2Fgfac_country_DE%2FPDF _doc%2FCUT_200-300-400_mS-Sp.pdf&ei=nbhUVa7kI8LQswHVyIGoBA&usg=AFQjCNGU8fMz_YCAOzi7FVQm8XwumZ Q3jQ&bvm=bv.93112503,d.bGg. Hämtad 2015-05-13
Mechanical engineering. URL: http://www.mechanicalengineeringblog.com/tag/electron-beam-melting/. Hämtad 2015-04-16
Omax, URL: http://www.omax.com/waterjet-cutting/machine/model/120X%20Series. Hämtad 2015-03-04
Optomec, URL: http://www.optomec.com/wp-content/uploads/2014/04/LENS_850-R_datasheet.pdf. Hämtad 2015-04-14 Sciaky, URL: http://www.sciaky.com/ca_product_sheets/Sciaky%20VX110%20EBAM%20Product%20Sheet. pdf. Hämtad 2015-04-14
Sciaky, URL: http://int.haascnc.com/. Hämtad 2015-03-04 Storch, Richard. Design for X. University of Washinghton. URL:
pt&ei=vTY6VcKQMcn-ygPj74GYBQ&usg=AFQjCNGm8Kf59kwDveyfhm-0lRpoRe_3Wg&bvm=bv.91427555,d.bGQ.
Hämtad 2015-04-24
TWI, URL: http://www.twi-global.com/technical-knowledge/published-papers/manufacturing-with-lasers-developments-and-opportunities-july-2004/. Hämtad 2015-24-25
Bilaga 1
Beräkningar av energiförbrukning per detalj
Använda formler redovisas även i kapitlet kostnad per produkt:
𝑇 𝑡𝑖𝑑 𝑎𝑡𝑡 𝑡𝑖𝑙𝑙𝑣𝑒𝑟𝑘𝑎 𝑒𝑛 𝑘𝑜𝑚𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛𝑡 𝑖 𝑡𝑖𝑚𝑚𝑎𝑟 = !"#$%&'()* !"#$% ! !!!
!"##!!"#$%!!" !!!! ∗! !"" [Formel 6]
Formel 6 används för att beräkna tiden vid additiva metoder. 𝑇 𝑡𝑖𝑑 𝑎𝑡𝑡 𝑡𝑖𝑙𝑙𝑣𝑒𝑟𝑘𝑎 𝑒𝑛 𝑘𝑜𝑚𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛𝑡 𝑖 𝑡𝑖𝑚𝑚𝑎𝑟 = !"ä!"#!ä!"#
!"ä!!!!"#$!!" [Formel 7]
Formel 7 används för att beräkna tiden vid vattenskärning och trådgnist
𝐶! = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑓ö𝑟𝑏𝑟𝑢𝑘𝑛𝑖𝑛𝑔 ∗ 𝑘𝑜𝑠𝑡𝑛𝑎𝑑 𝑝𝑒𝑟 𝑘𝑊ℎ [Formel 8]
(Snittpris per kWh är 0,35 kronor enligt Vattenfall, Vid beräkning av C0 för vattenskärning
adderas även reparationskostnader) 𝑘! = 𝑘! = 1
(Vi har antagit att spillmaterial och stödmaterial är detsamma för alla additiva metoder. För vattenskärning och trådgnist består spillmaterialet av det material som skärs bort)
𝑣 = 0,5 𝑑𝑚! 𝑓ö𝑟 𝑅ä𝑡𝑏𝑙𝑜𝑐𝑘 𝑜𝑐ℎ 0,19 𝑑𝑚! 𝑓ö𝑟 𝐾𝑜𝑟𝑠
𝐶! = 𝑝𝑟𝑖𝑠 𝑝𝑒𝑟 𝑘𝑖𝑙𝑜 ∗ 𝑣𝑖𝑘𝑡 𝑝𝑒𝑟 𝑑𝑚! [Formel 9]
(Pris per kilo för metallpulver enligt Bernd Wiedmann 80 Euro per kilo, Eurokurs cirka 9,3 kronor vilket används för additiva metoder. Kostnad för rostfritt stål 108 kr/kilo enligt Stena stål för rostfri fyrkantsstång med en sida på 100 millimeter vilket används för vattenskäraren)
𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑒𝑡 = 7,6 𝑘𝑖𝑙𝑜 𝑝𝑒𝑟 𝑑𝑚!
𝐶! = 𝐾𝑜𝑠𝑡𝑛𝑎𝑑 𝑓ö𝑟 𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡ö𝑟 𝑠𝑎𝑚𝑡 𝑟𝑒𝑝𝑎𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑎𝑣 𝑚𝑎𝑠𝑘𝑖𝑛
(Detta gäller additiva metoder där reparationskostnaden och arbetskraftskostnaden antas vara densamma för samtliga metoder baserat på intervju med Bernd Wiedmann. Vid vattenskärning och trådgnist ingår enbart arbetskraftskostnaden)
Figur 14– Visar de olika variablerna för additiv tillverkning vid beräkning av kostnad per produkt vid tillverkning av produkt av en storlek på 1 dm3rostfritt stål.
Figur 16– Visar de olika variablerna vid beräkning av kostnad per produkt vid tillverkning av produkterna Rätblock och Kors i rostfritt stål.
Beräkningar av metoders energiförbrukning
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑓ö𝑟𝑏𝑟𝑢𝑘𝑛𝑖𝑛𝑔 𝑝𝑒𝑟 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑘𝑡 𝑘𝑊ℎ = 𝑇𝑖𝑑 𝑠𝑜𝑚 𝑘𝑟ä𝑣𝑠 𝑓ö𝑟 𝑎𝑡𝑡 𝑏𝑦𝑔𝑔𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑘𝑡 ∗
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑓ö𝑟𝑏𝑟𝑢𝑘𝑛𝑖𝑛𝑔 𝑓ö𝑟 𝑚𝑎𝑠𝑘𝑖𝑛 [Formel 10]
Figur 18– Visar hur energiförbrukningen beror på vilken additiv tillverkningsmaskin som används vid tillverkning av produkt av en storlek på 1 dm3 i rostfritt stål.
