Framtid i puder

Svenska företaget VBN Components tillverkar stålprodukter med hjälp av additiv teknologi med pulver med tillsatser, främst verktyg som borrar och fräsar. 3D-utskriftsteknik eliminerar behovet av smide och bearbetning, minskar råmaterialförbrukningen och ger slutanvändarna ett bredare urval av högkvalitativa material.

Utbudet av VBN-komponenter inkluderar t.ex. Vibenite 290som enligt det svenska företaget är det hårdaste stålet i världen (72 HRC). Processen för att skapa Vibenite 290 är att gradvis öka hårdheten på material upp till. När de önskade delarna väl är tryckta från detta råmaterial, krävs ingen ytterligare bearbetning förutom slipning eller EDM. Ingen skärning, fräsning eller borrning krävs. Således skapar företaget delar med dimensioner upp till 200 x 200 x 380 mm, vars geometri inte kan produceras med andra tillverkningstekniker.

Stål behövs inte alltid. En forskargrupp från HRL Laboratories har utvecklat en 3D-utskriftslösning. aluminiumlegeringar med hög styrka. Det kallas nanofunktionell metod. Enkelt uttryckt består den nya tekniken i att applicera speciella nanofunktionella pulver på en 3D-skrivare, som sedan "sintras" med en laser tunna lager, vilket leder till tillväxten av ett tredimensionellt objekt. Under smältning och stelning förstörs inte de resulterande strukturerna och behåller sin fulla styrka på grund av att nanopartiklarna fungerar som kärnbildningscentrum för legeringens avsedda mikrostruktur.

Höghållfasta legeringar som aluminium används i stor utsträckning inom tung industri, flygteknik (t.ex. flygkroppar) och bildelar. Den nya tekniken för nanofunktionalisering ger dem inte bara hög styrka, utan också en mängd olika former och storlekar.

Addition istället för subtraktion

I traditionella metallbearbetningsmetoder avlägsnas avfallsmaterial genom bearbetning. Den additiva processen fungerar omvänt - den består av att applicera och lägga till successiva lager av en liten mängd material, vilket skapar XNUMXD-delar av nästan vilken form som helst baserat på en digital modell.

Även om denna teknik redan används flitigt för både prototyper och modellgjutning, har användningen direkt i produktionen av varor eller anordningar avsedda för marknaden varit svår på grund av låg effektivitet och otillfredsställande materialegenskaper. Denna situation förändras dock gradvis tack vare arbetet från forskare vid många centra runt om i världen.

Genom noggrant experimenterande har de två huvudteknikerna för XNUMXD-utskrift förbättrats: laseravsättning av metall (LMD) i selektiv lasersmältning (ULM). Laserteknik gör det möjligt att noggrant skapa fina detaljer och få bra ytkvalitet, vilket inte är möjligt med 50D elektronstråleutskrift (EBM). I SLM riktas spetsen av laserstrålen mot materialets pulver, lokalt svetsar det enligt ett givet mönster med en noggrannhet på 250 till 3 mikron. I sin tur använder LMD en laser för att bearbeta pulvret för att skapa självbärande XNUMXD-strukturer.

Dessa metoder har visat sig vara mycket lovande för att skapa flygplansdelar. och i synnerhet, tillämpningen av lasermetallavsättning utökar designmöjligheterna för flyg- och rymdkomponenter. De kan tillverkas av material med komplexa inre strukturer och gradienter som tidigare inte var möjliga. Dessutom gör båda laserteknologierna det möjligt att skapa produkter med komplex geometri och få utökad funktionalitet av produkter från ett brett utbud av legeringar.

I september förra året meddelade Airbus att man utrustat sin produktion A350 XWB med additiv utskrift. titan fäste, tillverkad av Arconic. Detta är inte slutet, eftersom Arconics kontrakt med Airbus innebär 3D-utskrift från titan-nickelpulver. kroppsdelar i framdrivningssystem. Det bör dock noteras att Arconic inte använder laserteknik, utan sin egen förbättrade version av EBM elektroniska båge.

En av milstolparna i utvecklingen av additiv teknik inom metallbearbetning kommer sannolikt att vara den första prototypen någonsin som presenterades vid huvudkontoret för den holländska Damen Shipyards Group hösten 2017. skeppspropeller metallegering uppkallad efter VAAMPeller. Efter lämpliga tester, av vilka de flesta redan har genomförts, har modellen en chans att bli godkänd för användning ombord på fartyg.

Eftersom framtiden för metallbearbetningsteknik ligger i pulver av rostfritt stål eller legeringskomponenter är det värt att lära känna de stora aktörerna på denna marknad. Enligt "Additive Manufacturing Metal Powder Market Report" som publicerades i november 2017 är de viktigaste tillverkarna av 3D-utskriftsmetallpulver: GKN, Hitachi Chemical, Rio Tinto, ATI Powder Metals, Praxair, Arconic, Sandvik AB, Renishaw, Höganäs AB , Metaldyne Performance Group, BÖHLER Edelstahl, Carpenter Technology Corporation, Aubert & Duval.

Propellertryck WAAMpeller

Flytande fas

De mest välkända metalladditivteknologierna förlitar sig för närvarande på användningen av pulver (detta är hur den tidigare nämnda vibeniten skapas) "sintrade" och lasersmälta vid de höga temperaturer som krävs för utgångsmaterialet. Men nya koncept växer fram. Forskare från Cryobiomedical Engineering Laboratory vid den kinesiska vetenskapsakademin i Peking har utvecklat en metod 3D-utskrift med "bläck", bestående av en metallegering med en smältpunkt något över rumstemperatur. I en studie publicerad i tidskriften Science China Technological Sciences demonstrerar forskarna Liu Jing och Wang Lei en teknik för vätskefastryckning av gallium-, vismut- eller indiumbaserade legeringar med tillsats av nanopartiklar.

Jämfört med traditionella metallprototypmetoder har 3D-utskrift i flytande fas flera viktiga fördelar. För det första kan en relativt hög tillverkningshastighet av tredimensionella strukturer uppnås. Dessutom kan du här mer flexibelt justera kylvätskans temperatur och flöde. Dessutom kan flytande ledande metall användas i kombination med icke-metalliska material (som plast), vilket ökar designmöjligheterna för komplexa komponenter.

Forskare vid American Northwestern University har också utvecklat en ny metall 3D-utskriftsteknik som är billigare och mindre komplex än tidigare känt. Istället för metallpulver, lasrar eller elektronstrålar använder den konventionell ugn i flytande material. Dessutom fungerar metoden bra för en mängd olika metaller, legeringar, föreningar och oxider. Detta liknar den munstyckstätning vi känner till med plast. "Bläck" består av ett metallpulver löst i en speciell substans med tillsats av en elastomer. Vid appliceringstillfället är det rumstemperatur. Därefter sintras skiktet av material som appliceras från munstycket med de föregående skikten vid en förhöjd temperatur som skapas i ugnen. Tekniken beskrivs i facktidskriften Advanced Functional Materials.

Kinesisk tryckmetod för flytande metallfas

2016 introducerade Harvard-forskare en annan metod som kan skapa XNUMXD-metallstrukturer. tryckt "i luften". Harvard University har skapat en 3D-skrivare som, till skillnad från andra, inte skapar objekt lager för lager, utan skapar komplexa strukturer "i luften" - från att metall fryser omedelbart. Enheten, utvecklad vid John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, skriver ut föremål med hjälp av silvernanopartiklar. Den fokuserade lasern värmer materialet och smälter samman det, vilket skapar olika strukturer som en helix.

Marknadens efterfrågan på 3D-tryckta konsumentprodukter med hög precision som medicinska implantat och flygmotordelar växer snabbt. Och eftersom produktdata kan delas med andra kan företag runt om i världen, om de har tillgång till metallpulver och rätt 3D-skrivare, arbeta för att minska logistik- och lagerkostnaderna. Som ni vet underlättar de beskrivna teknikerna tillverkningen av metalldelar med komplex geometri, framför traditionell produktionsteknik. Utvecklingen av specialiserade applikationer kommer sannolikt att leda till lägre priser och öppenhet för användningen av 3D-utskrift även i konventionella applikationer.

Det hårdaste svenska stålet - för 3D-utskrift:

Det hårdaste stålet i världen - tillverkat i Uppsala, Sverige

Aluminiumfilm för utskrift: 

Genombrott inom metallurgin: 3D-utskrift av höghållfast aluminium