3D-printing

3D-printing er svært vanlig i designmiljøer og i produktutvikling for å lage prototyper i utviklingsfasen. Dette kan være funksjonelle prototyper som kan ha tilsvarende egenskaper som det ferdige produktet vil ha og som kan utsettes for tester. Men i mange tilfeller brukes 3D-printing til å lage ikke-funksjonelle prototyper som i hovedsak brukes til å vurdere geometri og andre faktorer.

3D-printing brukes også til vedlikehold, både for reparasjon og til å erstatte ødelagte komponenter. 3D-printing kan brukes til å produsere reservedeler på forespørsel, som et alternativ til å ha store lager av reservedeler. Et eksempel på slike produkter er verktøy til plastsprøytestøping.

Innen helse brukes 3D-printing blant annet til å produsere spesialtilpassede tann-proteser og høreapparater. Ved hjelp av 3D-scanning av pasientene blir digitale modeller produsert og unike komponenter printet på svært kort tid. Også bein-proteser i titan kan lages ved hjelp av 3D-printing.

Det forskes på nye prosesser for bio-printing som vil gjøre det mulig å lage hud, bein, muskulatur, blodårer, netthinnevev og til og med hele organer.

3D-printing brukes til å produsere svært avanserte produkter til romfart og flyindustri, i avanserte titan- og nikkelbase legeringer, for eksempel drivstoffdyser.

Alt materiell som brukes i maritime sektorer og i offshore må gjennomgå sertifisering for å sikre trygg bruk. Ettersom det ikke har være noen etablerte sertifiseringsorganer for dette, har 3D-printing så langt ikke blitt brukt i denne sektoren. Fra 2017 har det blitt publisert nye retningslinjer som legger til rette for at teknologien kan tas i bruk på sikt.

På energimarkedet har Siemens revolusjonert produksjon og reparasjon av gassturbiner. De har utviklet en egen prosesskjede for reparasjon av komponenter som slites i brennkammeret der kun den ytterste delen legges på på nytt. Nye typer batteriløsninger bruker 3D-printing av strukturer med komplisert geometri.

En typisk utfordring er overflateruhet på produktet. Med lagvis deponering av materiale blir det gjerne en «trappeeffekt» på kurver eller skrå flater. Videre vil objektet ofte ha ulike egenskaper i ulike retninger, såkalt anisotropi. Ved å være nøye på hvordan objektene plasseres i byggekammeret kan effektene minimeres. Ofte er det nødvendig med etterbearbeiding, som for eksempel sliping og polering av overflaten og/eller varmebehandling, for å oppnå riktig struktur i materialet.

Nøyaktigheten i prosessene varierer, men flere av prosessene lager objekter med til dels store geometriske avvik i forhold til den digitale modellen. Sammenlignet med for eksempel fresing, som har mange av de samme fordelene som 3D-printing, er nøyaktigheten gjerne 50 ganger dårligere. Etterbearbeiding som fresing eller sliping kan rette opp avvikene.

Materialkvaliteten for 3D-printede produkter kan være svært god. Imidlertid kan 3D-printing med smeltebad føre til dårlig materialkvalitet, for eksempel ved utilstrekkelig tilførsel av dekkgass. Dette er også en utfordring ved sveising.

3D-printede objekter kan inneholde porer og luftlommer i materialet som potensielt kan gi dårligere materialegenskaper enn mer massive materialkvaliteter. For kritiske produkter blir CT-scanning og andre ikke-destruktive inspeksjonsmetoder (NDT) brukt for å undersøke materialet. Videre kan ulike varmebehandlinger benyttes for å bedre materialkvaliteten.

I PBF bygges objektet ved at et lag med pulver strykes ut på en byggeplate. En laserstråle eller elektronstråle smelter pulveret i henhold til objektets planlagte geometri i dette planet. Når strålingen er ferdig, senkes byggeplaten ned tilsvarene tykkelsen på pulverlaget. Deretter strykes et nytt pulverlag ut, og laserstrålen bygger videre i det nye pulverlaget. På denne måten bygges objektet lagvis i overflaten av et «pulverbad», og objektet (eller objektene) som bygges blir omgitt av et pulver som også fungerer som støtte for objektet mens det bygges.

PBF kan bygge objekter i flere materialer, men mest vanlig er metaller og polymerer. Kvaliteten på objektene produsert med PBF før at dette ofte er den valgte prosessen for å fremstille funksjonelle metall- eller polymerprodukter. Noen eksempler på bransjenavn i PBF-«familien» er:

• Selective Laser Sintering (SLS)
• Selective Laser Melting (SLM)
• Laser Beam Melting (LBM)
• Direct Metal Printing (DMP)
• Direct Metal Laser Sintering (DMLS)
• LaserCusing, Laser Melting Laser Metal Fusion (LMF)
• Electron Beam Melting (EBM)

Ved DED bygges objektet ved å tilføre materiale inn en smeltesone på overflaten av objektet som bygges, tilsvarende som for sveising. Som regel kreves det også tilførsel av en inert dekkgass som for eksempel argon for å hindre at smelten reagerer med fuktighet og oksygen i luften.

DED er først og fremst en prosess for å bygge med metaller, og har større frihet til å bygge større objekter enn PBF siden man ikke er begrenset til et byggekammer. På en annen side vil ikke objektet støttes av pulver som i PBF, og man må noen ganger lage egne støttestrukturer. DED kan også benyttes til å legge på nytt materiale på et eksisterende objekt for ombygging eller reparasjon.

DED består av en maskin med energikilde, utstyr for tilførsel av byggemateriale og dekkgass og med en robotarm eller liknende for å bevege byggehodet. Materiale tilføres i form av pulver eller tråd, og smelting av materiale forårsakes av termisk energi fra laserstråle(r), elektronstråle, elektrisk lysbue eller friksjon. DED kan legge materiale i kurver i rommet, for eksempel ved reparasjon av overflaten på et støpeverktøy. Noen DED-maskiner kan blande ulike metaller for eksempel ved å tilføre ulike trådmateriale eller pulvermaterialer og bygge objekter med egenskaper et enkeltmateriale ikke kan oppnå. For eksempel kan man starte med en titanlegering på den ene siden som går gradvis over til stellitt på den andre siden. Eksempler på bransjenavn i DED-familien er:

• Direct Metal Deposition (DMD)
• Direct Metal Tooling (DMT)
• Laser Engineered Net Shaping (LENS)
• Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM)
• Additive Friction Stir Deposition

BJT er en 3D-printingprosess der pulver med et bindemiddel sprøytes ut av en dyse og deponeres lagvis for å bygge objektet, som etter bygging vil bestå av en blanding av bindemiddel og pulver av metall, polymerer eller keram. Etter BJT-prosessen blir bindemiddelet herdet. I tilfeller der man ønsker et homogent objekt metall eller keramer, blir objektet enten sintret med høy varme og trykk, eller infusert av et annen materiale. Bindemiddelet fjernes med varme, og et annet flytende materiale fyller hulrommene i objektet. Til slutt sitter man igjen med et komposittmateriale. Eksempler på bransjenavn er:

• Multi Jet Fusion (MJF)
• Layerwise Slurry Deposition (LSD)

SHL bygger additivt ved at materialsjikt sammenføyes, det vil si lamineres. Materialet kan være tre, papir, metall eller kompositter. Et eksempel er bygging av komposittstrukturer ved å legge ut bånd av materialet med en robot. Sammenføyning kan være med lim eller andre prosesser som for eksempel ultrasonisk frisksjonsveising. Eksempler på bransjenavn er:

• Laminated Object Manufacturing (LOM)
• Paper 3D technology
• Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM)
• Metal Laminated Tooling (MELATO)
• Automated Tape Laying (ATL)

Materialekstrudering er en prosess der materiale i form av en tråd mates fra en spole og gjennom en oppvarmet ekstruderingsdyse som varmer opp materialet og så deponerer materialet på en byggeplattform og objektet bygges lag på lag. Dette er den prosessen folk flest er kjent med fra rimelige «gjør det selv»-maskiner. Materialet er som regel en kompositt- eller termoplastmateriale, men kvaliteten er sjelden like god som fra PBF. Eksempler på bransjenavn er:

• Fused Deposition Modelling (FDM)
• Fused Filament Fabrication (FFF)
• Bound Metal Deposition (BMD)

MJT bygger 3D-geometrier ved nøyaktig deponering av små dråper av materialet som så herdes med UV-lys. Denne 3D-printingprosessen kan sammenlignes tradisjonelle 2D-blekkskrivere. Prosessen er tidkrevende og materialkvaliteten vil ikke bli like god som en del av de andre prosessene, men kan gi svært gode overflater og ha svært gode muligheter til et stort spekter av farger (som for 2D-printing). Eksempler på bransjenavn er:

• Poly-Jet Modelling (PJM)
• Multi-Jet Modelling (MJM)
• Vision-Controlled Jetting (VCJ)
• Nano Particle Jetting (NPJ)
• Inkjet-printing
• Wax Deposition Modeling (WDM)

VPP bygger med fotopolymerisering ved at en lyssensitiv væske stivner når det utsettes for lys. Det kan gjøres på ulike måter, for eksempel ved at et bad med væske utsettes for lys på undersiden og objektet «dras» ut av væsken etter hvert som det produseres. VAT lager fine detaljer med en jevn overflatefinish, og brukes gjerne til å produsere smykker og medisinske bruksområder. Eksempler på bransjenavn er:

• Stereolithography (SLA)
• Digital Light Processing (DLP)
• Liquid Crystal Display (LCD)
• Lithography-based Ceramic Manufacturing (LCM)
• Continuous Liquid Interface Production (CLIP)