Framtidens former
Additiv tillverkning
Jakob Hansson
Examensarbete TRITA-ITM-EX 2020:127
Examensarbete TRITA-ITM-EX 2020:127
Framtidens former
Additiv tillverkning
Jakob Hansson
Godkänt
2020-05-12
Examinator
Ulf Sellgren
Handledare
Ulf Sellgren
Uppdragsgivare
KTH Maskinkonstruktion
Kontaktperson
Ulf Sellgren
Sammanfattning
Nyckeln bakom framgång inom all form av ingenjörskap såväl som produktutveckling inom alla marknader är kapaciteten att tillverka nya och förbättrade produkter. Kraven och behovet av bättre och bättre produkter har medfört en konstant utveckling inom tillverkningssystem från de traditionella metoderna som smidning, borrning och gjutning, till de moderna additiva systemen.
Detta arbete, som skapades i samarbete med KTH:s institution för maskinkonstruktion,
undersöker och utreder 5 av de 7 stora familjerna av additivt tillverkande system med syftet att försöka definiera den framtida potentialen för additiv tillverkning. I samband med detta
presenteras även förslag på produkter eller yrken som möjliggörs av systemet som utreds för att på en ytlig nivå tydliggöra egenskaperna hos varje system.
Arbetet redovisar även produktframtagningen av en högt individanpassad produkt, skyddande skal för små modeller, motivering till val av möjligt system för produkten och resultatet av en iterativ process.
Utredningen, produktframtagningen samt expertåsikter ger en diskussion som betraktar både additiv tillverknings framtida potential såväl som en diskussion om hur denna potential påverkas av Covid-19 pandemin 2020.
Som slutsats är möjligheterna för additiv tillverkning mycket lovande med flera olika riktningar utvecklingen kan gå
Nyckelord: Additiv Tillverkning, Individanpassning, Potential, Produktutveckling.
Bachelor Thesis TRITA-ITM-EX 2020:127
The Forms of the Future
Additive manufacturing
Jakob Hansson
Approved
2020-05-12
Examiner
Ulf Sellgren
Supervisor
Ulf Sellgren
Commissioner
KTH Department of machine design
Contact person
Ulf Sellgren
Abstract
The key to progress within every form of engineering in addition to product development whihin all markets is the capacity to manufacture new and improved products. The demands and need flr better and better products has brought forth a constant evolution within manufacturing systems from the traditional methods as forging, drilling and casting, to the modern additive systems.
This work, created in association with KTHs Department of machine design, examines and investigates 5 out of the 7 major families of additive manufacturing with the purpose of trying to define the future potential of additive manufacturing. In addition, for each system, a possible product or profession is suggested, made possible by the system in question. This is done to clarify the characteristics of that system.
This work also demonstrates the product development of a highly customized product, protective shells for small models, motivation behind the additive system of choice and the result of the iterative design process.
The investigation, the product development as well as expert opinion resulted in a discussion that both considers additive manufacturing future potential as well as how this potential is affected by the Covid-19 pandemic of 2020.
As a conclusion is the future for additive manufacturing very promising with several different directions in which development can go.
FÖRORD
För detta arbete vill jag tacka min Far, Anders Hansson som hjälpte mig i både projektets gång och tidigare egna arbeten med Additiva system.
Tack går till Ulf Sellgren som trots problem som uppstod i samband med Covid-19 pandemin ändå lyckades strukturera examensarbetet moment på ett bra sätt.
Stort tack till riktas Daniel Ljungstig, CEO på företaget 3DVERKSTAN och Robert Andersson på företaget Additiva AB. Via intervjuer gav ni detta arbete drastiskt mycket mer information att disskutera såväl som utmärkta expertåsikter om additiv tillverknings framtida möjligheter.
Slutligen vill mycket tack ges till Manufacturing guide som gav tillåtelse för att använda deras bilder för att bättre illustrera de utredda systemen.
Återigen till alla som hjälpt med arbetet, Tack.
Jakob Hansson KTH, Maj, 2020
NOMENKLATUR
Svenska Engelska Förkortning
Dator assisterad Design Computer Aided Design CAD Material Extrudering Material Extrusion ME
--- Fused Filament Fabrication FFF
--- Fused Deposition Modeling FDM
Fotopolymerisering Photopolymerization --- Stereolitografi Stereolitography SLA
--- Digital Light processing DLP
Pudersängsfusion Powder Bed Fusion PBF Lasersmältning Selective Laser melting SLM
--- Selective Laser Sintering SLS
Elektronsmältning Elektron Beam melting EBM Material Sprutning Material Jetting MJ
--- Polyjet Printing PP
--- Drop-on-Demand DoD
Bindemedel Sprutning Binder Jetting BJ
--- Color Jet Printing CJP
Laminering Sheet Lamination SL
--- Laminated Object
Manufacturing
LOM
Direkt engergideponering Direct Energy Deposition DED
--- Laser engineered net
shaping,
LENS
INNEHÅLLSFÖRTECKNING
SAMMANFATTNING 3
ABSTRACT 4
FÖRORD 5
NOMENKLATUR 6
INNEHÅLLSFÖRTECKNING 7
1 INTRODUKTION 9
1.1 Bakgrund 9
1.2 Syfte 10
1.3 Avgränsningar 10
1.4 Metodik 11
2 REFERENSRAM OCH UTREDNING 12
2.1 Grundläggande principer 12
2.2 Förutsättningarna, möjligheten och potentialen av additiva system 13
2.3 Material Extrudering 15
2.4 Fotopolymerisering – Stereolitografi 20
2.5 Powder Bed Fusion - Laser och Elektronstrålesmältning 24
2.6 Material Jetting 30
2.7 Binder Jetting 33
3 PRODUKTFRAMTAGNING 37
3.1 Skyddande skal för ömtåliga modeller och komponenter 37
3.2 Produktkrav 38
3.3 Val av system 38
3.4 Den iterativa processen 39
3.5 Kort om Haveri 46
3.6 Redovisningsproblem 47
4 DISKUSSION OCH SLUTSATS 49
4.2 Produktframtagning 51
4.3 Additiv Tillverknings Framtid i samband Covid-19 52
4.4 Slutsats 54
5 REKOMMENDATIONER OCH FRAMTIDA ARBETE 55
5.1 Rekommendationer 55
5.2 Framtida arbete 56
6 REFERENSER 59
6.1 Textreferenser 59
6.2 Figurreferenser 63
6.3 Företag som bidrog till arbetet 63
BILAGOR 64
Bilaga A1, iteration 1 CAD-modell och fysiskt resultat. 64
Bilaga A2, iteration 1, Sprickbildning i låsmekanismen. 66
Bilaga A3, iteration 1, Komplett brott. 66
Bilaga B, iteration 2 CAD-modell och fysiskt resultat. 67
Bilaga C1, iteration 3, CAD-modell och fysiskt resultat. 69
Bilaga C2, Lås 3. Gropdjup: 0,5 mm. 70
Bilaga C3, Sammansatt. 71
Bilaga C4, Låshaveri. 73
Bilaga D1, iteration 4, CAD-modell och fysiskt resultat. 74
Bilaga D2, Lås. Gropdjup 0,75 mm. 75
Bilaga D3, Sammansatt. 76
Bilaga E1, ANSYS Simulation 1. 77
Bilaga E2, Lagerseparation. 78
Bilaga E3, ANSYS Simulation 2. 78
Bilaga E4, Låsberäkningar 79
Bilaga E5, Små former i Cura 80
Bilaga E6, CAD modeller. 81
Bilaga E7, Resultat. 82
Bilaga F1, Haveritest, Slagpunkten. 83
1 INTRODUKTION
1.1 Bakgrund
Genom mänsklighetens historia har vi alltid strävat efter nya sätt att tillverka föremål. Från den uråldriga sandformsgjutningen till den industriella revolutionens explosion av mekanisk
teknologi. I nutiden är det rimligt att beskriva den nuvarande takten för teknologisk utveckling som en ny revolution. Förbättringar i kunskap om material och den stora globaliseringen har möjliggjort att en enorm mängd nya produkter har skapats som alla tillämpar sig av ny modern kunskap.
Inom denna teknologiska spurt har även kraven på nya produkter exploderat. Produkter blir allt mindre allt eftersom material ska sparas och allt onödigt tas bort. Komponenter ska produceras med precision utifrån exakta specifikationer. Samtidigt ökar kraven på hållbar utveckling som medför att dessa ska produceras på ett sätt som maximerar livslängden gentemot
energikostnaden.
Alla dessa krav tydliggjorde att traditionella metoder som kräver många specialiserade maskiner för hela bearbetningsprocessen inte räckte till för att möjliggöra de höga och varierande kraven.
Det är ur detta, idén bakom additiv tillverkning kom till. Ett sätt att snabbt och enkelt kunna framställa många olika individanpassade produkter med så få processer som möjligt. Grunden bakom additiv tillverkning är arbetet i lager, med det menas att alla former av additiv
tillverkning arbetar i tunna 2D plan som bygger upp den slutgiltiga 3 dimensionella formen.
Enligt Dana Golbergs artikel: History of 3D Printing: It’s Older Than You Are (That Is, If You’re Under 30) [1] kan den första verkliga produkten som tillämpade additiv tillverkning spåras till Charles Hull som under 1984 skapade stereolithografi, ett system som via fotopolymerisering skapar en fysisk kopia av digitala modeller. Denna metod betraktas i detalj i huvudtexten. Detta ledde till att Hull fick patentet för systemet 1986 och med det grundade företaget 3D-Systems som släppte den första kommersiellt tillgängliga 3D skrivaren: modellen SLA-1 och är idag ett av de ledande företagen inom additiv tillverkning. [2]
Med den grundläggande teknologin skapad påbörjades en period av innovation där möjligheterna för additiv tillverkning expanderade kraftigt. Allt från komponenter inom maskiner, kretskort inom datorer, helt nya materialstrukturer men även proteser och utbytesorgan för människor.
Dessa är bara exempel på produkter skapade via additiv tillverkning och inom detta arbete kommer ytterligare möjligheter betraktas, jämföras och analyseras med målet att finna potentialen och framtida begränsningar hos additiv tillverkning.
1.2 Syfte
Syftet med detta arbete kan delas in i två sammanhängande kategorier.
Det första är att undersöka och utreda den nuvarande och framtida potentialen av flera olika system av additiv tillverkning. Det huvudsakliga fokuset kommer riktas mot de nyaste
produkterna, potentiella nya produkter samt relaterade tjänster och arbeten som möjliggörs eller skapas av additiv tillverkning. Några frågor som ställs i samband med detta arbete är:
- Hur skiljer additiv tillverkning sig mest från traditionella metoder?
- Hur ändras de mekaniska egenskaperna hos additivt tillverkade produkter?
- Vilka är de karaktäristiska egenskaperna hos de additiva systemen?
- Hur behandlas synergin mellan additiva och traditionella metoder?
- I vilken riktning går den tekniska utvecklingen för additiva system?
- Vad är den framtida potentialen för additiv tillverkning?
Det andra syftet med detta arbete är framställningen av en helt ny individanpassad produkt eller komponent som ska skapas via digitala modeller för att sedan tillverka denna produkt via additiva tillverkningsmetoder. De samhörande frågor som betraktas för detta syfte är:
- Vad ska produkten göra och till vem/vad är den anpassad?
- Vilka är de viktigaste principerna att utgå från när en produkt ska skapas enbart utifrån additiva metoder?
- Vilka krav respektive begränsningar ska produkten formas utifrån?
- Hur tjänar produkten på att skapas additivt?
Syftet med denna produkt är även att den ska vara så anpassad till additiva metoder som möjligt.
Det vill säga att om den skulle reproduceras via traditionella metoder, skulle det krävas fler tillverkningsmetoder än resultatet är värt. Dessa två syften kombineras även via att betrakta vilket av de undersökta systemen som är bäst lämpade för produktens krav och specifikationer samt benämna intressanta punkter som framkommer av det valda systemet.
1.3 Avgränsningar
Utredningen inom detta arbete kommer huvudsakligen fokusera på de rent fysikaliska och mekaniska egenskaperna för produkter och komponenter som skapats via additiv tillverkning.
Med det menas att även om de ekonomiska aspekterna kommer betraktas delvis, är de inte fokus.
Detta är för att vad som medför en hög kostnad i nuläget kanske inte nödvändigtvis behöver göra det i framtiden. Då detta arbete lägger stort fokus på den framtida potentialen blir de ekonomiska aspekterna allt för oförutsägbara för att diskutera i detalj. Samtidigt då en stor del av utredningen är baserat på hypoteser om möjliga produkter, baserat på information i utredningen, undviks stora antaganden. Produktförslaget grundas därför bara på den information som tas upp i utredningen och undviker förslag som skulle kräva flera stora utvecklingar.
Den fysiska produkten som tas fram begränsas till simpla former relativt till vad som kan göras med additiv tillverkning då de mer avancerade tillverkningsteknikerna ej är lätt tillgänglig. Mer komplexa system är betydligt dyra, detta medför att endast vissa system kan realistiskt tillämpas för produktframtagningen. Trots detta kommer flera av dessa dyrare system utredas även om
1.4 Metodik
Arbetsmetodiken för detta projekt kategoriseras huvudsakligen inom två områden:
Utredningen av potentialen och förutsättningarna för additiv tillverkning kommer utgå från en standardiserad vetenskaplig angreppsvinkel. Tillgänglig information i form av vetenskapliga artiklar, böcker, expertåsikter och materialdata kommer undersökas från en stor mängd olika källor. Utifrån dessa sorteras den bästa tillämpningsbara informationen ut för de betraktade tillverkningsmetoderna. Från denna information kommer varje metod av additiv tillverkning betraktas utifrån en bestämd mängd olika egenskaper för att slutligen bedöma hur de presterar inom varje kategori.
Den individanpassade produkten kommer att utgå från en mer kunskapsbaserad process. Utifrån delar kunskapen samlad från utredningen av potentialen i kombination med tidigare kunskap inom Tillverkningsteknik, Materiallära, Hållfasthetslära och Mekanik kommer
produktframtagningen utgå från en iterativ designprocess. Detta innebär att det huvudsakliga skapandet kommer att ske inom CAD-program. När en grundläggande design har designats återskapas den omedelbart fysiskt via enkla additiva tillverkningsprocesser. Med en fysisk kopia är det lättare att finna fundamentala fel i antingen designen av produkten från ett
hållfasthetsperspektiv eller att formen inte kan skapas av den metod valt för denna process. Via en iterativ process förbättras även möjligheterna för jämförelse mellan olika iterationer vilket i tur medför en tydligare redovisningsstruktur där varje iteration kan betraktas.
Relevanta datorprogram som används är:
- SolidEdge, för att skada CAD-modeller.
- Matlab för att beräkna krafter och spänningar.
- CES Edupack för materialdata.
- Ultimaker Cura för att dela in CAD-modeller i bearbetbara lager.
- ANSYS workbench för att simulera krafter.
-
Additiv tillverkning: Material Extrudering 3D-skrivare av modellen Creality CRX.
2 REFERENSRAM OCH UTREDNING
2.1 Grundläggande principer
Alla nuvarande metoder av additiv tillverkning utgår alltid från samma grundläggande metoder.
Utifrån en computer-aided-design (en CAD-modell) eller andra system av digitala 3D objekt delas dessa modeller in i tunna lager.[3] Dessa lager varierar i tjocklek beroende på
tillverkningsmetod men huvudsakligen är de i storleksordningen 0,3 𝑚𝑚 för de enklare metoderna till några mikrometer för de mer avancerade.[4]
Via digitala verktyg definieras dessa lager i form av koordinater. Utifrån dessa koordinater skapas den fysikaliska speglingen av den digitala modellen lager för lager. Detta innebär att additiva tillverkningsmetoder enbart arbetar i två dimensioner i taget. När ett lager har bearbetats färdigt förflyttas antingen detaljen neråt eller bearbetningsverktyget uppåt, beroende på metod.
Detta fortsätter tills modellen är helt uppbyggd. Detta innebär att additiva metoder tar betydligt längre tid att forma objekt gentemot traditionella metoder. Det är viktigt att notera att då en CAD-modell är uppbyggd av exakta mått är det omöjligt att skapa en fysisk representation som exakt avbildar den, alla former av tillverkning medför någon mikroskopiskt
längdenhetensskillnad. Detta uppkommer utifrån grunder till koordinatbaserad teknik, nämligen att det utgår från punkter utan bred eller längd. Men oavsett tillverkningsmetod måste dessa dimensioner existera, vilket leder till dessa små olikheter.
Av de traditionella tillverkningssystemen har koordinatbaserad fräsning mest gemensamt med additiv tillverkning där, utifrån koordinater, skärs specifika delar av ett material ut. Detta som många andra traditionella metoder är en reducerande metod. Det innebär att formgivning traditionellt sker via att material tas bort från en grundmassa vilket leder till att energi måste förbrukas för att omvandla restmaterialet till nytt arbetbart material. Däremot till skillnad från traditionella metoder är additiv tillverkning just det, additiv. Additiva tillverkningsmetoder har inte detta problem då utöver nödvändiga temporära stödstrukturer som uppkommer i vissa metoder, används endast det absolut nödvändigaste materialet. Detta medför att det materialet som går åt är betydligt mindre jämfört med traditionella metoder.
Utöver detta är en av de stora fördelarna inom additiv tillverkning relaterat till ökningen inom digitalisering, produkten kan skickas digitalt runt om hela världen och samtidigt produceras. Då även de mest ordinarie produkter kräver specialiserade maskiner för att tillverkas medför det att samarbete på långt avstånd blir långsamt. Men via additiv tillverkning kan prototypprodukten tas fram betydligt lättare. De behöver inte nödvändigtvis vara i samma material som den slutgiltiga men det möjliggör att dess verkliga form kan betraktas vilket i samband leder till ökade
möjligheter inom prototyputveckling.
2.2 Förutsättningarna, möjligheten och potentialen av additiva system
Inom detta kapitel presenteras de punkter som är grunden till utredningen för de additiva systemen. För varje system kommer dessa kategorier betraktas utifrån dess styrkor, svagheter och även unika egenskaper om dessa är noterbara. De viktigaste utgångspunkterna samt den motivationen till varför de valdes och hur de kommer utredas är enligt följande:
2.2.1 Material och struktur
Inledningsvis är det viktigt att betrakta systemets kapacitet att arbeta med en mångfald av material. Fokus är inriktad på att finna vilka av de stora materialgrupperna, Metaller, Keramer och polymerer, systemet kan arbete med. Om någon grundläggande princip inom systemet hindrar den att bearbeta något material benämns det. Inom detta kapitel läggs även fokus på strukturen som uppkommer av systemet och om den går att justera. Slutligen undersöker
kategorin om systemet kan bearbeta kompositmaterial eller skapa strukturer med 2 eller fler olika material i samma process, kompositstrukturer.
2.2.2 Formbarhet
En av de viktigaste punkterna är formbarhet. Inom denna kategori betraktas det övergripande systemet och formegenskaper som uppkommer från grundprinciperna bakom systemet. Exempel på detta är material extrudering som är typisk för standard 3D-plastskrivare som kräver
mekaniska stödstrukturer eller Powder Bed Fusion som stöds av grundmaterialet men kräver termiskt stöd.[5] Inom utredningen analyseras dessa system i detalj utifrån ett
formgivningsperspektiv där komplexiteten av möjliga produkter betraktas samt vilka möjligheter för temporära stödstrukturer systemet klarar.
2.2.3 Lagertjocklek och Precision
Inom denna kategori betraktas lagertjockleken samt systemets förmåga att skapa exakta former med en hög grad av specifika krav och förutsättningar. Detta kan likna formbarheten men skillnaden utgörs bäst via exempel: Att additivt tillverka organ har sedan länge varit ett av industrins mål och forskare på Tel Aviv universitet i Israel har lyckats skapa ett hjärta via additiv teknologi.[6] Hjärtats form är inte en komplex struktur jämfört med många maskinkomponenter.
Men vad hjärtat kräver är en enorm grad av precision i svårbearbetade material där resultatet måste exakt uppfylla de krav som ställts. Denna precision är det som betraktas inom detta område och relaterat till detta är även lagertjockleken viktigt att betrakta samt toleransen på minsta möjliga detalj.
2.2.4 Felrisk och vidare bearbetning
Det sista av de viktiga utredande kategorierna är fokuserad på enbart negativa aspekter av ett visst system. Dessa är de fel som kan uppkomma i varje system samt den sannolikheten att de inträffar. Vilka effekter dessa defekter kommer ha i samband med det som krävs för att lösa de benämns även. Samtidigt i detta kapitel betraktas det om det systemet som utreds alltid medför
2.2.5 Föreslag på produkt eller yrke
Utöver dessa punkter ska det även föreslås minst en nuvarande produkt eller arbete som tjänar på att tillämpa den samhörande tillverkningstekniken. Exempel på dessa är om en produkt tillverkas via en traditionell metod, hur den skulle tjäna på att tillverkas via den relevanta additiva
metoden. Alternativt ska minst en helt ny produkt eller yrke som möjliggörs av
tillverkningstekniken föreslås med utredningen av huvudpunkterna som grund till förslaget och motivationen bakom dessa.
Dessa punkter utgör de grundläggande principerna som systemen utreds från men det finns andra noterbara synpunkter som är ej nog stora för att betraktas som självständiga men kan nämnas i alla av huvudpunkterna om dessa punkter har någon förmåga som relaterar. Dessa punkter är:
Miljö (Energikostnad)
Detta område betraktar den potentiella miljöpåverkan och sammanhängande, den energikostnad som krävs för att framställa en viss typ av produkt vid användning av tekniken.
Pris
Om systemet som utreds medför betydliga startkostnader, höga drivkostnader eller om materialet systemet använder kostar mycket att framställa kan dessa betraktas inom material och struktur eller formbarhet.
Potential att kombineras med traditionella tillverkningstekniker
Ett stort missförstånd som görs relaterat till additiv tillverkning är att det antas att hela strukturer måste skapas additivt. I verkligheten är det mer troligt att efter att grunden av en produkt har skapats additivt kan delar av den bearbetas via traditionella metoder. Om en viss additivt system gynnas mycket av traditionella metoder kan det nämnas inom alla av huvudpunkterna.
2.3 Material Extrudering
I vardagligt språk kan den metoden som normalt refereras som 3D-utskrift betraktas som den mest kända bland både den generella befolkningen och människor med grundläggande kunskaper inom ämnet. I själva verket är denna metods äkta klassifikation material extrudering (ME) eller Fused Filament Fabrication (FFF) samt fused deposition modeling (FDM).[7] Denna metod tillämpar ett rörligt upphettat munstycke som matas med material, oftast i strängform från en spole, och lägger det materialet på en uppvärmd statisk arbetsyta där det sedan stelnar. Detta görs lager för lager samtidigt som munstycket förflyttas uppåt. Att utskriftplattan hålls varm ökar utskriftens grepp på ytan vilket minskar risken att den förflyttas under arbetet.
Då denna metod är bland de mest kommersiellt tillgängliga på marknaden måste kvalitén mellan olika maskiner benämnas vid utredningen av systemets kapacitet. Följande bild beskriver ett typiskt FDM system med 1) Byggplatform, 2) Plasttråd som matas, 3) Rullar som pressar in i 4) Upphettat munstycke med 5) som ett exempel på stödstruktur.
Figur 2, FDM System
2.3.1 Material och struktur
Karaktäristiskt för denna metod är att materialet som bearbetas måste smälta relativt lätt via det uppvärmda munstycket samt stelna snabbt, kontrollerat och formstabilt. Detta leder till att det mest använda materialet är polymerer varav några exempel på möjliga material är ABS eller liknande termoplaster. [7] Dock är denna metod inte begränsad till polymerer så länge materialet kan smälta och stelna kontrollerat. Detta möjliggör att denna metod kan tillämpa vissa metaller och keramer men även ätbara material som choklad.
Då denna metod använder ett munstycke är det även möjligt att skapa kompositstrukturer via användning av fler munstycken. Denna delgrupp kallas Composite Filament Fabrication (CFF).
Exempel på kompositstrukturer som skapas via detta system är fiberförstärkta strukturer. Detta uppnås genom att det första munstycket arbetar likadant som i FFF där den bygger upp skalet och kärnan via plastiska trådar. Det andra munstycket lägger sedan en kontinuerlig fibersträng, exempelvis kol eller glasfiber, i varje lager. Detta skapar en betydligt hårdare struktur.[8] Likartat är det även möjligt att göra strukturerna svagare. Detta görs via att bestämma graden av fyllning detaljen ska ha. Exempelvis kommer en detalj med 100 % fyllning vara helt solid. Motsvarande skapas en detalj med 50 % fyllning med ett yttre skal exakt som i CAD-modellen, men inuti fylls bara hälften av strukturen med ett förutbestämt mönster. Detta medför något svagare men lättare samt materialbesparande resultat.
Slutligen kan även ME arbeta med kompositmaterial förutsatt att materialet uppfyller samma krav som de homogena ämnena. Det är viktigt under framställning av produkter att andelen grundmaterial i materialet är så hög att den möjliggör att alla lagren binder ihop. Detta medför att de kompositämnen som är mest lämpade att använda hör till klassen polymermatrix kompositer (PMC) [9] där termoplaster med typisk amorf atomstruktur utgör den kärnan som enklast arbetas.
2.3.2 Formbarhet
Då denna metod är bland de mest använda metoderna för eget bruk finns det även en stor grad variation i kvalité av tillgängliga 3D-skrivare. Denna kommersiella framgång medför dock att en stor utveckling har gjorts inom denna teknik.
Då det mest använda materialet är ABS, med en låg densitet på ungefär 1,100 𝑔
𝑐𝑚3,[10] och likande polymerer samt att dessa inte är speciella material som måste sparas, kan ME använda supportstrukturer under tillverkning. Dessa kan variera mellan olika skrivare. Exempel på supportstrukturer är sneda balkar i ett rutigt mönster som ger en materialsnål men stark struktur som enkelt kan tas bort. Dessa supportstrukturer kräver inställningar i sliceprocessen och varierar med skrivare och program.
Om supportstrukturer inte finns med kan uppbyggnaden maximalt ske 45𝑂utåt och uppåt i förhållande till föregående lager.[11] Om denna gräns överskrids kan det uppvärmda materialet inte längre stödja dess egen tyngd vilket medför haveri där det böjs innan det stelnar. Denna nedböjning är inte nödvändigtvis stor men bara en del av en millimeter räcker för att nästa lager inte längre kan läggas ut korrekt.
ME har därför inga stora begräsningar i form, storlek eller struktur förutsatt att möjligheten för
2.3.3 Lagertjocklek och Precision
För ME är lagertjockleken oftast mellan 0,178 𝑚𝑚 − 0,356 𝑚𝑚[12] och varierar mycket beroende på maskinens kapacitet och val av detalj vid lageruppdelning. Exempelvis är det inte lämpligt att ha många lager om själva grundstrukturen saknar komplexitet.
Inom systemet finns det flera faktorer som påverkar byggprecisionen. Avgörande är munstyckets diameter, ett tunnare munstycke resulterar i en struktur mest lik CAD-modellen. De toleranser som uppkommer utifrån detta är ±0,5 𝑚𝑚 för mindre och enklare modeller men kan gå ner till
±0,15 𝑚𝑚.
Då denna metod arbetar med uppvärmda amorfa strängar har de en benägenhet att breda ut sig över ytan de läggs på. Samtidigt som materialet byggs kommer färdiga delar att svalna,
detta medför krympning som minskar strukturens mått med 0,2 − 1 % beroende på material.[11]
2.3.4 Felrisk och vidare bearbetning
Unikt för denna metod är att materialet måste läggas med ett konstant jämt tryck, detta för att materialet lätt ska kunna lämna munstycket. [5] [12] Då denna metod kan arbeta med en stor mängd material är det största problemet alla variabler som förekommer som alla är beroende på material och den slutgiltiga strukturen där om bara en faktor är felinställd kan det resultera i en misslyckad konstruktion. Exempel på dessa justerbara variabler samt den risken som följer är:
- Munstyckestemperatur. Om temperaturen är för låg binder aldrig lagren mot varandra.
Alternativt om den är för hög stelnar inte strängen snabbt nog vilket resulterar i att strukturen blir feldimensionerad.
- Arbetsplattans temperatur. Likt munstyckestemperaturen om den är för hög stelnar inte materialet snabbt nog men om den är för låg finns det en risk att materialet aldrig fastnar på ytan vilket kan resultera i minimala förflyttningar av detaljen. Med toleranser på
±0,5 𝑚𝑚 eller mindre innebär detta en misslyckad konstruktion. Noterbart är om det är för stor skillnad mellan munstyckestemperaturen och arbetsplattans temperatur kommer strukturen inte stelna i jämvikt vilket ger upphov till segring och interna spänningar i strukturen. Vid icke-homogen stelning kan även böjningar framträdda i vad som ska vara plana ytor på grund av krympning i olika stadier genom strukturen.
- Arbetshastigheten, som innebär hastigheten av munstycket under arbete. Detta relaterar till båda temperaturerna som påverkar strukturen då det förstärker problemen som uppkommer från dåligt valda temperaturer. En för hög arbetshastighet medför även risken att tunt restmaterial kan hamna på och mellan lagren vilket kan leda till problem i strukturer som kräver hög precision. Likande kan även resttrådar illustrerade i figur 3 framkomma vilka måste tas bort.
Då ME har en relativt stor lagertjocklek jämfört med andra system blir den resulterade ytan noterbart hackig som kan båda ses och kännas. Detta kan medföra problem beroende på i vilket syfte produkten skapas. Denna går dock att slipa ner förutsatt att CAD-modellen skapats med nerslipning i tanke.
Figur 3, Exempel på resttråd
Figur 4, Yta som släppt under arbetsgången.
2.3.5 Förslag på produkt eller yrke
Den största fördelen inom ME är förmågan att ta fram högt specifika modeller inom relativ kort tid. Metoden är även bland de billigaste där båda maskinen och materialet är lättillgängliga.
Dock jämfört med andra metoder är den långsammare och mindre detaljrik [12] och är ej lämplig på en stor industriell skala.
Därför är en lämplig produkt för detta system en som tillämpar teknikens tillgänglighet och enkelheten av individanpassade former samtidigt som de ej är beroende av betydlig
detaljprecision eller påverkas mycket av produktens yta eller eventuella strängrester. Detta medför att ett möjlig nytt område inom komponentindustrin är framställningen av högt specifika och individanpassade maskinkomponenter skapade via kombination av material extudering och gjutning, specifikt sandformsgjutning. Där utifrån en grundmodell packas sand tätt ihop kring där smältmetallen sedan kan tillföras. .[13]
Inom sandformsgjutning finns det två aspekter att betrakta. Detta är sandformen och modellen samt om de är permanenta eller engångsanvända. För detta förslag betraktas alla sandformer som engångs men modellen kan vara engångs eller permanent beroende på tillgängliga ME material och kvantiteten kunder önskar. Om modellen måste tillverkas i exempelvis svårsmältplast är det mer lämpligt att ha en permanent modell som tas bort före metallen tillförs. Om en låg volym önskas och om ett lättsmält material är tillgängligt finns möjligheten att skapa engångsmodellen som förångas av den varma metallen. Båda metoderna har styrkor men är ej viktigt att betrakta här.
Detta system av produktion utgår från förmågan att digitalt förflytta CAD-modellen i exempelvis STL-filformat. Kunden skickar en CAD-modell av den komponent de vill ha tillverkad. Denna komponent skapas sedan additivt via ME. Utifrån denna modell skapas sedan en sandform.
Denna metod gynnas av ME då möjliga fel och negativa aspekter upphävs. Interna fel och löst restmaterial inom modellen påverkar inte resultatet då det är modellens yttre form som formar sanden. Detta medför även att modellen kan skapas väldigt materialsnålt då bara totala ytan är viktigt. Mindre massa minskar även risken att material från engångsmodeller påverkar den slutgiltiga metallmassan.
Viktigast dock är att sandformsgjutning inte påverkas av den negativa aspekten av ME, nämligen den grövre ytan. Detta är för att lagertjockleken, 0,178 𝑚𝑚 − 0,356 𝑚𝑚, medel på 0,267𝑚𝑚, är i överlag mindre än kornstorleken i sanden som normalt används vid sandformsgjutning där 85 − 95 % av kornen är mellan 0,15 − 0,6 𝑚𝑚, med medel på 0,375 𝑚𝑚.[14] Där eventuella avvikelser ändå försvinner i efterbearbetning.
Detta resulterar i komponenter med hög komplexitet och precision, relativt till traditionella metoder, samtidigt som det är betydligt billigare att framställa då det kräver en minimal mängd unika maskiner.
2.4 Fotopolymerisering – Stereolitografi
Inledningsvis för detta system av additiv tillverkning är det viktigt att förklara vad en
Fotopolymer är. En fotopolymer är en polymer med den unika egenskapen att den kemiska och mekaniska strukturen påverkas av ljus. [15] Dessa fotopolymerer används inom additiv
tillverkning genom att denna reaktion framkallas kontrollerat med hög precision. Detta orsakar att fotopolymeren selektivt polymeriseras, alternativt skapar tvärbindningar.[16] Detta medför att det som reagerat antar en mycket stabilare struktur än grundmaterialet och leder till att ett lager skapas. Detta sker oftast i en balja med en likvid fotopolymer.
Detta är grundprincipen bakom tekniken men det finns flera delgrupper [7] inom denna teknik.
Den mest kända av dessa är Stereolitografi (SLA), som är den äldsta formen av additiv
tillverkning. Denna teknik tillämpar hög precisions ultraviolett ljus eller laser. Dessa ljuskällor fokuseras koordinatbaserat över ytan av polymervätskan, delvis likt ME, tills strukturen är klar.
Efter att lagret skapats och strukturen förflyttats i höjdriktning, jämnas ytan ut via ett återföringsblad så nästa lager kan skapas. Då detta är den mest använda formen av
fotopolymerisering är den fokus inom utredningspunkterna. Ett exempel på ett annat system är Digital Light processing (DLP) som likt en kamerablixt, belyser hela arbetsytan samtidigt istället för att stegvis fokusera ljuset.
Följande bild är ett exempel på ett DLP system men liknar på många sätt ett Bottom-up SLA system vars definition förklaras senare.
2.4.1 Material och Struktur
Då SLA är baserad på teknik som utnyttjar den karaktäristiska förmågan hos fotopolymerer är den också bunden till dessa material. Detta medför att tekniken är låst till bara en av de stora materialgrupperna och en delkategori inom denna. Detta är dock inte en alltför stor negativ aspekt. Kombinationen med att det är den äldsta formen av additiv tillverkning och att polymerer kan framställas med en stor variation materialegenskaper medför en hög variation i produkternas egenskaper. [17] Detta kan resultera i hård keramliknande struktur med hög värmetålighet som ofta inte förväntas av polymerer.
Dessa egenskaper medför att komponenter skapta via SLA har hög relativ styvhet med hög grad av isotropi men har normalt låg töjningsförmåga vid belastning.[17] Detta medför i kombination med den höga variationen i möjliga fotopolymerer att mycket fokus måste riktas mot att korrekt material bestäms utifrån noggranna specifikationer. Noterbart är att dessa material är betydligt mer specifika traditionella än plaster och därför medför denna teknik en hög materialkostnad.
Ytterligare så om mer specifika fotopolymerer används.[12]
Med teknik som tillämpar en balja där byggytan utgörs av den likvida fotopolymeren är också möjligheterna för kompositstrukturer låga då vätskan måste täcka hela ytan för att nästa lager ska kunna skapas. I teori är det möjligt att förflytta strukturen mellan två olika baljor med olika fotopolymerer men detta system skulle medföra dramatiskt höjda kostnader. På samma sätt är det också svårt bearbeta kompositmaterial via SLA. Även om en komposit önskas är denna metod ej lämplig. Då det alltid måste vara fotopolymerer är det mer lämpligt att utgå från ett material som bäst balanserar materialegenskapskraven.
2.4.2 Formbarhet
Inom SLA är de två stora huvudkategorier av system, Top-down eller Bottom-up, och dessa medför olika fördelar och nackdelar.[18][19] Den noterbara skillnaden mellan de är hur systemen använder arbetsplattan. I ett Top-down system sänks ytan ner i en stor balja av
bearbetningsmaterialet. Ljuset riktas ovanifrån ner på vätskan som skapar lagret. Detta resulterar i att strukturen hamnar under vätskans yta. Motsvarande för Bottom-up tillämpar den ljusreaktiva förmågan via att placera ljuset under en transparant balja. Baljan som används är betydligt
mindre än den för Top-down. Här placeras byggplattformen nära botten av baljan, när ljus sedan belyser ytan genom baljan reagerar fotopolymeren och bildar lagret. Plattformen förflyttas därefter uppåt vilket resulterar i en struktur som skapas nervänd. Fördelar och nackdelar för de två systemen är som följande:
Top-down har bättre förmåga att skapa stora former då den är båda snabbare i utskrift men även för strukturen som byggs belastas inte med lika mycket kraft. Detta är för att den kan stödjas naturligt mot arbetsplatan samtidigt som den likvida omgivningen minskar inverkan av
gravitation p.g.a. Arkimedes princip. Samtidigt kan den tillämpa stödstrukturer i samma stil som ME. Detta är i överlag det lättare systemet att använda. De negativa aspekterna är dock mycket fokuserat på mängden fotopolymer som går åt. Då hela baljan måste fyllas kräver Top-down noterbart större maskiner och resurser att använda. Det är också väldigt dyrt att reparera om något skulle gå sönder. Dessutom då ljuset riktas mot likvidens yta finns risken att luft i små mängder kan bindas på ytan till skillnad från Bottom-up där arbetsytan är helt omgiven av fotopolymerer. Detta medför att lagertjocklek är oerhört viktigt vid tillämpning av Top-down.
Bottom-up, som motsvarande kräver en betydligt mindre mängd material vid framställning av produkt. Samtidigt då botten av baljan alltid kommer utgöras av ett fint lager fotopolymer är lagertjocklek betydligt lättare att kontrollera. Detta kräver dock att baljan måste bytas ut oftare än Top-down då endast små bitar av solidpolymer kan orsaka haveri vid hög precision. Den största negativa aspekten uppkommer från att Bottom-up skapar vinklade strukturer. Detta medför att resultatets totala vikt är kritiskt vid bedömning av teknik. Detta medför även att möjligheten för supportstrukturen är begränsad då om supportstrukturen väger för mycket kommer det orsaka haveri.
Systemet kan även kräva supportstrukturer, annars är chansen att krympning sker stor.[11] Utöver detta har SLA inte stora problem vid formskapning förutsatt att korrekt typ av fotopolymer används men även att lämpligt val av Top-down eller Bottom-up görs utifrån produktens krav.
2.4.3 Lagertjocklek och Precision
Likt formbarheten är precisionen beroende på val av material. Exempelvis är det ej lämpligt att välja ett material med hög flexibilitet om hög precision önskas. Förutsatt att korrekt material valts har SLA hög grad av precision. Denna precision uppnås genom att de ljuskällor som vanligen används, laser eller UV-ljus,[11] lätt fokuseras till en liten yta. Detta minskar risken att oönskat material reagerar eller att materialet reagerar helt över den belysta ytan. Samtidigt kan ljuset stängas av, riktas mot en annan koordinat och sedan belysa ytan. Detta medför att inget onödigt material används eller att rester från tidigare bearbetade punkter kan störa strukturen.
Att systemet bygger utifrån en vätskeyta medför även att lagertjockleken noggrant kontrolleras.
Detta gör i två steg. Det första är den relativa höjden av byggplattformen när den förflyttas uppåt. Det andra är när återföringsbladet går över ytan för att skapa ett plant lager och tar bort eventuella defekter. Denna tvåstegs mekanism i samband med den ljusbaserade bearbetningen som bygger lagret utan att någon massa vidrör materialet medför att betydligt tunna lager kan framställas. Dessa är ordinärt mellan 0,025 − 0,5 𝑚𝑚 [12] med en tolerans på ±0,01 𝑚𝑚 för industriella maskiner med en minsta detaljstorlek på 0,1 𝑚𝑚 med typiska toleranser på
±0,15 𝑚𝑚.[11]
Figur 6, Top-Down system Figur 7, Bottom-Up System
2.4.4 Felrisk och vidare bearbetning
En av de större negativa aspekterna av SLA är att det kräver en lång efterbearbetningsprocess för att resultatet ska kunna användas.[20] Supportstrukturer är alltid i samma material som
grundstrukturen. Detta medför att de måste tas bort manuellt, oftast med hjälp av lösningsmedel som isopropylalkohol som även tar bort det likvida restmaterialet från detaljen. Detta resulterar ofta i att ytan på produkten har en hög grad defekter som måste skäras eller slipas bort. När ytan behandlats ser ytan normalt helt slät ut.
Det är också kritiskt att behandla den slutgiltiga produktens yta med UV ljus under en längre period alternativt täcka hela ytan med ett skyddande lack. Detta görs för att den stelnade
fotopolymeren fortfarande har en benägenhet att reagera när den utsätts för ljus under en längre period. Detta kan resultera i att strukturen blir mer spröd efter längre perioder av naturligt ljus.
Detta medför att komponenter skapta ur SLA inte är lämpliga för att användas i en miljö där de ofta utsätts för ljus, såsom utomhus.
2.4.5 Förslag på produkt eller yrke
Inom SLA är en av de största fördelarna förmågan att tillämpa projektions baserade 3D
modeller.[20] Dessa är modeller är inte skapta via CAD-program men är skapta via att en fysisk modell skannas in digitalt via laser eller ultraljud som sedan kan återskapa modellen. Detta möjliggörs av den höga detaljnivån inom SLA men även via möjligheten att tillämpa många olika polymervarianter.
Denna kombination av lätta men mångfaldiga material i samband med enkelheten att återskapa fysiska föremål med nya material resulterar i att SLA har hög potential med stor variation inom den medicinska branschen. Mycket av detta relaterar till enkelheten att återskapa både skelett med hårda polymerer men även mjuka delar som organ med mjuk och delvis elastisk polymer.
Exempel på tillämpningar är:
Inskanning av patienten före kritiska operationer. Ett av de största hoten under operationer är att kirurgen inte kan öva på patienten innan själva operationen. Detta kan medföra enorma problem om något skulle gå fel eller om någon oförväntad faktor uppkommer under operation. Via olika inskanningsmetoder är det möjligt att skanna in de delarna där operationer ska ske och återskapa de i hög detalj. Detta möjliggör att kirurgen kan öva inför operationen för att säkerställa att allting kommer gå som planerat. Dessa är självklart temporära former och påverkas inte då av de långsiktiga negativa aspekterna inom SLA teknik.
Liknande kan brutna ben eller leder skannas in för att återskapas additivt. Dessa skapas ur ett betydligt hårdare material. I detta scenario är den extra ytbehandlingen inte ett stort problem då en noggrann ytbehandling ändå måste göras oavsett tillverkningsmetod för att protesen lätt kan opereras in, annars kan patientens detalj reagera negativt på föremålet som förs in. Samtidigt då dessa delar är inneslutna i patientens detalj är sannolikheten att de utsätts för någon form av ljus minimal. SLA har fördelar i industrier som kräver hög precision men även en hög nivå av individualitet bland de skapta produkterna.
2.5 Powder Bed Fusion - Laser och Elektronstrålesmältning
Powder bed fusion (PBF) är det mest tillämpade och bäst utvecklade systemet för bearbetning med metaller inom större industrier.[21] Grunden bakom detta system är tunna lager finmalt metallpulver. Detta pulver med korn i storleksordningen 20 − 60 µ𝑚 [22] sprids jämt ut över arbetsytan. Detta pulver smälts sedan med teknik varierande för olika delsystem som sedan stelnar ihop vilket resulterar i materiallager. Fokus inom denna teknik riktas mot två delsystem som huvudsakligen arbetar med metaller. Dessa är Laser Beam Melting (LBM eller SLM) och Electron Beam Melting (EBM).
Dessa två system är mycket lika och bygger på samma princip där de tillämpar en
högenergistråle, mellan 200 − 500 Watt för laser och 1000 − 6000 Watt för elektron. Denna energi får metallpartiklarna att smälta som resulterar i att atomerna och lagren binds ihop. Dessa två system har dock stora skillnader och medför olika positiva och negativa aspekter som
betraktas i utredningspunkterna. Slutligen är det noterbart att PBF är betydligt dyrare än tidigare nämnda metoder som ME eller SLA och därför används nära exklusivt inom större industriella branscher.
2.5.1 Material och Struktur
Tekniken bakom PBF möjliggör att flera möjliga material är användbara. Likt ME är det kritiskt att materialet har förmågan att smälta och stelna kontrollerat. Detta betyder att både metaller och polymerer kan tillämpas förutsatt att de kan malas till fin pulverform.[12] Polymerer kan dock användas av flera system och därför på grund av PBFs optimering mot metaller samt förmågan att skapa högt detaljerade former av metall är dessa material fokus. De resulterande detaljerna skapade via PBF har jämförbar hållfasthet med både gjuta detaljer och produkter från
reducerande metoder. Eventuella olikheter mellan lagren jämnas ut via diffusion.[9] Samtidigt likt SLA arbetar PBF ett icke-mekaniskt fokus på en basyta av material. Detta medför att komposit strukturer inte tillämpas inom PBF. Kompositmaterial kan dock användas förutsatt att även i finpulverform partiklarna förblir kompositer och inte separeras via värme.
Samtidigt som dessa tekniker använder liknande system och bearbetar metaller finns det dock en extremt viktig faktor som skiljer de åt i möjliga material.
För LBM är metallens optiska förmågor kritiska.[23] Detta innebär at om metallen har hög reflektiv förmåga minskar den mängd energi som kan tas upp av materialet. Detta resulterar i att energi går förlorad samtidigt som det möjliggör att stora ojämnheter kan förekomma.[24] Denna reflektiva förmåga kan överkommas via tillämpning av en laser med hög energi. Detta resulterar i att materialet måste studeras noga före bearbetning men även laserns intensitet. För svar medför att ljuset reflekteras och en dålig yta skapas. För mycket energi kan påverka det föregående lagret och skapa en ostabil struktur med hög grad inre spänningar. Exempel på ett olämpligt material men fortfarande mång tillämpat är aluminium som reflekterar runt 90 % av ljus.
Följande bild beskriver ett Selective Laser Sintering (SLS) system en delkategori inom LBM med flera av de karaktäristiska punkterna:1) Grundmaterial i pulverform upphettat till strax under smälttemperaturen, 2) Byggplatform, 3) Vals för att återföra material, 4) Optiskt fokus.
Figur 8, LBM - Selective Laser Sintering (SLS)
På andra sidan spektrumet är den viktiga faktorn för EBM materialets förmåga att leda ström.[25]
EBM som strålar pulverytan med elektroner i ett vakuum orsakar att dessa elektroner förflyttas kontrollerat genom metallen som orsaker värmepunkter. Om inte materialet kan leda ström kan det inte ta upp elektroner. Utöver detta är det viktigt att två ytterligare faktorer säkerställs. Som nämnt sker EBM till skillnad från LBM i ett vakuum för att elektronstrålen inte ska störas. Detta motverkar även att materialet oxideras under bearbetning. Den andra faktorn är att materialet som bearbetas måste vara jordad. Annars kommer laddningen bygga samtidigt som energin inte kan förflyttas. Exempel på material som kan bearbetas är titanlegeringar.
Följande bild beskriver ett standard EBM system där de karaktäristiska punkterna är: 1) Vakuumkammaren, 2) Elektronstråle. 3) Pulvret matas in via kassetter på och återförs på 4) Byggplattformen via hjälp av en 5) raka.
I och med att PBF grundas i lager av finpulver kan grundmassan även hjälpa formbarheten. När ett lager skapats sänks hela byggplattformen ner för att sedan täckas med nästa lager finpulver.
Detta medför att tidigare lager av osmältpulver fortfarande finns kvar, mycket likt en balja som fylls med vatten. Detta resterande material medför att den skapade produkten kan stödjas mot en solid massa i form av pulver, till skillnad från exempelvis ME eller SLA som skapas i luft respektive en vätska. Detta resulterar i att vinkeländringar på 90 % är möjliga utan att komplexa stödstrukturer behövs. Samtidigt kan PBF på samma sätt skapa former med hängande utsprång som ej ansluter till kärndetaljen förens de sista lagren. [21] Denna form av uppbyggnad medför även att det icke stelnade pulvret kan samlas och återanvändas.
Detta innebär dock inte att stödstrukturer inte tillämpas. Inom värmebaserad metallbearbetning är hanteringen av värmeflödet kritiskt. Speciellt så vid extremvärmessystem. Vid kylning från högre temperaturer är risken att interna spänningar uppkommer hög. Samtidigt är även risken att metallen deformeras under kylningen hög. Detta medför att redan i CAD-
modelldesignsprocessen måste hanteringen av värmeflödet betraktas där stödstrukturerna måste både stödja strukturen mekaniskt men dess huvuduppgift är att agera som värmeflöde. I överlag kräver EBM mindre stödstrukturer då metallen belastas med mindre termisk spänning. [7] [11]
[26][27]
2.5.3 Lagertjocklek och Precision
Lagertjockleken är beroende på kvalitén av materialpulvret där storleken av de största kornen kan ha stor inverkan. Materialets fysiska egenskaper som strömledningsförmåga, reflektiva förmåga och termiska egenskaper är centrala. Dessutom är energikapaciteten av strålen också avgörande vid bearbetning av bearbetning av svårare material. Dessa faktorer medför att lagren kan ha varierande storlek efter behov och är ordinärt kring 0,08 − 0,15 𝑚𝑚 men kan gå ner till 0,03 𝑚𝑚 för LBM och 0,05 𝑚𝑚 för EBM.
Likt SLA tillämpar PBF ett icke-mekaniskt arbetssystem. Detta medför att precisionen kan kontrolleras betydlig bättre. För LBM är strålen i området 20 − 100µ𝑚[12] med toleranser på
±50 − 200µ𝑚[27] och för EBM 100 − 200µ𝑚 med toleranser ±200µ𝑚[28]. Figur 10, Exempel på möjlig form
Z-axel
2.5.4 Felrisk och vidare bearbetning
Som nämnts är kontrollen av inre spänningar som uppkommer via ojämn avkylning kritiskt för den slutliga produkten. Denna spänning bemöts via tillämpning av stödstrukturer men flera steg av efterbehandling måste göras. Inledningsvis efter att en produkt skapats måste de
värmeledande strukturerna tas bort. Med till skillnad från tidigare metoder är dessa av metall och kräver högprecisions verktyg för att tas bort utan att skada grundstrukturen. Denna borttagning av stödstrukturer i samband med metallpulvrets olikheter i kornstorlek innebär ofta att trots den tunna lagertjockleken måste produktens yta slipas för att den ska bli slät.
Även med stödstrukturer är det viktigt att skapa CAD-modellen med värmeledning i åtanke. På grund av att det är svårt att veta om inre spänningar har uppkommit är det, likt vid traditionella värmebaserade metallformsmetoder, nödvändigt att avspänningsglödga produkten. Detta både minskar risken att spänningar finns kvar men ökar även sannolikheten att eventuella ojämna lager går ihop.
Då dessa system är beroende av många olika faktorer, materialval med dess fysiska egenskaper, pulverstorlek, värmeledning och en noga efterbehandling i kombination med den betydliga kostnaden av båda tekniken och materialet, tillämpas ofta en simulation före tillverkning. Denna simulation går igenom hela processen från grundpulvret till den potentiella slutgiltiga produkten.
Med detta går det att analysera effektivaste sätt att leda värmen samt se vilken av LBM eller EBM är lämpligast. Detta medför att PBF inte är lämpad för en iterativ process som andra billigare additiva tekniker eller för tillverkning engångsprodukter utan istället bör tillämpas på hög kvalités maskinkomponenter.
2.5.5 Förslag på produkt eller yrke
PBF största fördel är förmågan att bearbeta metaller med både komplexa former och hårda strukturer. Däremot på grund av systemets basteknologi som baseras på en stor mängd dyrt metallpulver, starka och högspecialiserade strålfokus samt stort och komplext maskineri är tekniken inte passande för enkla sammanhang. Detta kan ändras i framtiden men till vidare är det lämpligt att undersöka var tekniken passar bäst in i högre kostnadssektorer.
En ny möjlighet detta tillverkningssystem medför är uppbyggnaden av komplexa fluida former som rör för avloppsystem eller kolv-baserade system.
Traditionellt struktureras rörsystem av en stor mängd standardiserade delar som skruvas, svetsas eller bultas ihop. Men denna multidelsstruktur medför att spänningskoncentrationer lätt kan uppkomma i sambandspunkterna. Samtidigt finn även risken att en ojämnhet kan uppkomma mellan två delar vilket kan leda till läckor som kan leda till betydliga skador. Men via PBF är det möjligt att strukturera betydligt mer komplexa rörstrukturer sammansatta i bara en enhet. Då grundpulvret även agera som stödstruktur finns det även ingen begränsning i riktning en del av det tillverkade röret kan variera i förhållande till andra delar.
Samtidigt är det teoretiskt möjligt att PBF medför en helt unik förmåga jämfört med rör formade via traditionella metoder. Då termisk kontroll redan utgör en stor del av tekniken i samband med
sådant sätt att röret redan är anpassad för den medelvärmen den utsätt för i drift. Detta skulle medföra mer pålitliga strukturer är de standardiserade rördelarna tillgängliga idag.
En annan mer framtida möjlighet är reparationen av större metallstrukturer, exempelvis flygplansvingar. Flygplansvingar utsätt för båda hårda mekaniska krafter via lyftkraften men även stor variationen i temperaturer. Om någon del av vingen skulle skadas är den höga säkerhetsfaktorn inte längre uppfylld. En sådan vinge är väldigt dyr att framställa, transportera och montera.
I detta är PBF tillämpbart för att skapa anpassade reparationsdelar utifrån skadan som uppkommit. Att reparera en vinge på ett sådant sätt medför tveklöst säkerhetsbrister om det skulle tillämpas idag då säkerhetsfaktorn på flygplan är alltför hög. Men därför är detta förslag mer riktat mot framtiden och de tekniker den medför som kan kombineras med PBF.
2.6 Material Jetting
Material Jetting (MJ) bygger på likande principer som normala pappersskrivare där varje lager kan liknas till bläcket på pappret. Inom detta system tillämpas ett stort antal munstycken som med hög hastighet besprutar byggytan med flytande byggmaterial.[7] Direkt efter behandlas ytan med UV-ljus som omedelbart orsakar att ytan härdar.[30] Detta kräver att de materialen som tillämpas reagerar via UV-ljus och därför används, likt fotopolymerisering, fotopolymerer och liknande material. Detta resulterar i liknande egenskaper i strukturen. Detta system medför även att hela processen tar betydligt kortare tid jämfört med exempelvis SLA. Detta möjliggörs via att mekanismen som skapar UV-ljuset ansluts till samma struktur som belägger materialet.[31]
En unik aspekt för detta system uppkommer på grund av den höga hastigheten av materialet i samband med att det reagerar via UV-ljus eller stelnar snabbt efter kontakt vid arbetsytan. Denna kombination resulterar i att systemet inte tillämpar värme i något steg av processen.[11] Detta medför att de termiska bieffekterna som framkommer i andra system, interna spänningar eller deformation vid avkylning, inte förekommer i produkter skapade via MJ.
Ett delsystem inom MJ är Drop-on Demand eller DoD. Inom detta system används två
munstycken, ett för grundmaterialet oftast vax, och ett för stödmaterialet. Denna teknik är mer lik ME och belägger lagren punktvis. När lagret är klart skärs ytan plan via ett blad för att säkerställa en slät yta. Detta system används huvudsakligen till att skapa engångsvax former för gjutning.[7] Då detta system är ett av de få delsystemen inom MJ är det rimligt att nämna men följande utredning riktas mot det primära systemet för bättre tydliggöra den framtida potentialen.
Följande bild är ett exempel på ett Polyjet Printing (PP) System. Denna tillämpar 1) skrivarhuvud som kan växla mellan 2) Smält termoplast och 3) Vax som stödmaterial.
2.6.1 Material och Struktur
Då detta system också tillämpar fotopolymerer eller andra lättstelnande likvida material gäller liknande materialegenskaper som för fotopolymerisering och de begränsningarna i material och kompositmaterial som medförs. Därför presenteras samma materialegenskaper i kapitel 2.4 stycke 1 och 2. Stycke 3 är ej relevant för MJ då stora skillnader finns i potentialen för kompositstrukturer. Samtidigt är det möjligt att tillämpa lättsmälta och snabbstelnande termoplaster och resulterar i liknande strukturer.
Återigen är liknelsen till bläckskrivaren lämplig. Likt hur bläckskrivaren byter färg efter behov kan mer avancerade MJ system via dess många munstycket byta material och skapa
kompositstrukturer. Som benämnt tidigare finns det en hög variation i polymerers egenskaper allt från genomskinliga och hårda men även mjuka och töjbara. Samtidigt är det även möjligt att blanda två olika fotopolymerer för att få helt unika egenskaper i olika delar av produkten.[33]
Denna potential för kompositstruktur ökar möjligheterna för fotopolymererstrukturer betydligt mer än SLA som är begränsad till ett material i taget.
2.6.2 Formbarhet
Då detta system likt pappersskrivaren belägger lager för lager utan något stöd i omgivningen måste stödstrukturer tillämpas för att skapa mer komplexa former. Dessa stödstrukturer kan dock skapas på ett helt annat sätt jämfört med tidigare utredda metoder. Då MJ lätt kan byta mellan olika material under drift kan stödstrukturen byggas via ett helt unikt material obundet till grunddetaljen. Med detta kan stödstrukturen ha egenskaper ej funna i grunddetaljen, exempel på detta är vattenlöslighet som betydligt förenklar efterbehandlingsprocessen där ett möjligt
material är SbQ-PVA.[34] Denna separation av förmågor mellan grund och stödmaterial medför även att ytan efter stödstrukturers avlägsnad är noterbart slät och eventuella tecken på
stödstrukturer är få.
Då detta system kombinerar höghastighets sprutning och omedelbar härdning är systemet snabbare än mänga andra system. Detta medför att det är lämpligt för snabb framtagning av prototyper.
2.6.3 Lagertjocklek och Precision
Som benämnt tidigare är systemet ej beroende av hetta och kan därför i flera synpunkter betraktas som en av de mest exakta former av additiv tillverkning.[11] Kombinationen av likvitt material och små munstycken medför hög kontroll av materialet med en låg nivå av restmaterial.
Dessa faktorer medför en minsta lagertjocklek på 13 µ𝑚 med en minsta möjlig detaljstorlek på 0,1 𝑚𝑚 med toleranser ±25 µ𝑚.[35]
2.6.4 Felrisk och vidare bearbetning
Via den höga detaljnivån i kombination med små lager och lättborttagbara stödstrukturer är produkter skapta via MJ naturligt släta. Detta innebär att minimalt arbete behöver ägnas åt att slipa ytan. Däremot via komplexiteten av systemet är det begränsat till mindre strukturer men
Trots den höga detaljnivån som uppkommer utifrån temperatursoberoende bearbetning kan andra problem uppstå. En av dessa är att produkter skapade via MJ har noterbart sämre mekaniska egenskaper jämfört med andra metoder.[36] Karaktäristiskt är delarna betydligt mer spröda.[33]
Denna sprödhet uppstår via att strukturen byggs upp med lager som stelnar på ytan till
föregående lager utan hög temperatur. Detta resulterar i att sammansättningskraften blir betydligt svagare då lagren inte bind lika effektivt utan värme. Den styrka som finns uppstår bara på grund av den tunna lagertjockleken. Därför är det viktigt att arbetsmunstyckena hålls rena och byts när de slits. Denna sprödhet medför att maskinkomponenter ej är lämpat för MJ. Dock är tekniken fortfarande relevant inom maskinindustrier då prototypdelar snabbt kan tas fram för att sedan framställa en fungerade komponent via alternativa metoder.
Likt fotopolymerisering är även arbetsmaterialet och produkten känslig för ljus. Detta medför att efter tillverkning måste hela produkten behandlas med ett UV-ljus för att minimera risken att icke-reagerat material kvarstår och för att öka livslängden hos produkten.[37] Även med denna efterbehandling är materialet fortfarande känsligt för ljus och kommer ändra egenskaper efter en viss tid. Därför är det även lämpligt att skydda produkter via att lacka ytan om den ska användas i en miljö med mycket ljus.
2.6.5 Förslag på produkt eller yrke
Produkter som skaps med MJ bör ta i åtanke systemets kapacitet till varierande materialstruktur.
Dessutom måste sprödheten samt ljuseffekten betraktas och vägas. Därför är en ny produkt som möjliggörs av MJ individanpassade skor och sulor.
Det är mycket som går in i att välja skor. Storlek, form, inre och yttre mjukhet. Alla dessa är relevanta och många skador samt långvariga problem kan uppstå om ej rätt sula eller sko väljs.[38] Däremot är det inte alltid lätt att känna om en sko är rätt vid inköp. Det krävs många timmars användning innan det kan säkerställas. Detta i samband med att de flesta skor är skapta utifrån en standarsdesign resulterar i att många blir missnöjda.
Via MJ är det möjligt att skapa skor helt anpassade till individens behov. Inte bara med en design utan en anpassad struktur som betraktar små skillnader i kundens fötter. Via 3D-skanning kan köparens fötter skannas in för att få en grundmodell. Nästa steg kräver mer medicinsk kunskap där köparen, med hjälp av en podiatrist kunnig inom 3D-modellering, kan bestämma i vilket sammanhang skorna ska användas, såsom vardagsskor eller vandring i extrema miljöer. Utifrån köparens krav skapas sedan kärnan av skorna. Sulan exempelvis tillämpar MJs kapacitet att använda flera material samtidigt och kan då använda en fotopolymer med mer elastiska egenskaper men via blandning av fotopolymerer variera sulans stötdämpande förmåga efter behov.
Resten av skornas kärna kan sedan skapas via ett mer solitt material för att sedan täckas över med både lack men även ett yttre separat material som tyg eller läder i syftet att både sydda fotopolymeren från ljus men även för att se stiligare ut.
Denna nya produkt betraktar styrkorna inom MJ via att material med olika förmågor kan
2.7 Binder Jetting
Binder Jetting (BJ) är en teknik som använder ett bindemedel som aktiv del i den additiva processen.[39] I många aspekter delar tekniken förmågor med både PBF och MJ processerna.
Grunden av varje lager utgörs av ett tunt lager material i puderform. Detta lager besprutas med hög precision av bindemedel som härdar i rumstemperatur. Detta resulterar i att kornen binder samman i tvärsnittlager.[40] Efter att ett lager skapats sänks byggplattformen ner och en vält återför grundmaterialet. Efter att komponenten skapats måste den tas ut och rengöras från restpuder och likt PBF kan pulvret återanvändas.[41]
Detta system resulterar i en formskapande process som ej tillämpar värme vilket resulterar i att risken att interna spänningar uppstår är liten. Dock är processen inte fri från värme. Produkter skapta via BJ måste, för alla material förutom ett som benämns senare, härdas för att förbättra de mekaniska förmågorna och för att återfå eventuella färger. Denna kombination där bindemedlet utgör den rörliga delen möjliggör att väldigt stora komponenter kan tillverkas både snabbt men även till relativt små kostnader. Följande bild beskriver ett Color Jet Printing (CJP) system.
Detta system karaktäriseras av: 1) Grundmaterial i pulverform, 2) Byggplatt som materialet återförs på via 3) en vals. Detta system kan med tillämpning av olika bindemedel skapa många olika färger i samma struktur.
