Sammendrag:
Additiv produksjon er en moderne og minimalistisk måte å lage produkter på. De fleste kjenner dette som 3D printing hvor en bygger opp produktet lag for lag. Dette står i kontrast til den mer tradisjonelle produksjonsmetoden; maskinering. I maskinering jobber man som en skulptør og fjerner materiale ved å kutte det bort. Problemet med sistnevnte er at mye materiale kuttes av og blir til avfall.
De nye additive teknologiene åpner opp for muligheter innen design som ikke tidligere har vært mulig. Ved å ta i bruk disse teknologiene kan man produsere kostnadseffektive produkter som har et mindre miljøavtrykk.
Tekst og illustrasjoner av Vegard Brøtan, Siri Marthe Arbo, Even Wilberg Hovig, Klas Boivie og Adam Tzur.
Figur 1: Additiv produksjon gir mindre avfall og kan brukes med mer kompliserte design.
Hva er additiv produksjon?
Additiv produksjon har fått økende interesse i senere tid. Kjernen i metodene er at et produkt bygges opp lag for lag og produksjonskostnadene dermed øker tilnærmet lineært med produktets volum. I de vanligste additive produksjonsmetodene for metall smeltes pulver eller tråd suksessivt sammen for å komme til riktig geometri. På denne måten bruker man kun materiale som produktet består av, og prosessen har derfor lite svinn (1).
Hva er maskinering?
Maskinering er en forholdsvis effektiv produksjonsprosess som gir fine flater og som kan brukes på de fleste materialer. Det er kjent som en subtraktiv produksjonsprosess, som karakteriseres ved at man gradvis fjerner råmateriale inntil produktets geometri er oppnådd. Produksjonskostnaden øker derfor med mengden råmateriale som må fjernes. Dermed er det viktig å evaluere hvor mye råmateriale man skal bruke, for å begrense avfallsmengden.
Hvordan finne den mest kostnadseffektive og bærekraftige produksjonsmetoden?
En produksjonsingeniør vil alltid være på jakt etter den mest kostnadseffektive produksjonsruten for å produsere et bestemt produkt. Flere ulike teknikker som maskinering, støping, smiing, ekstrudering, valsing, og additiv tilvirkning kan vurderes for alle nye produkter. Utfordringen er at vi alltid står ovenfor mange alternative produksjonsruter, og det er ofte vanskelig å avgjøre hvilken rute som er mest kostnadseffektiv uten en grundig gjennomgang. Det kan herske usikkerhet rundt markedet, produksjonsvolum og antall varianter som skal produseres. I tillegg kan det være spørsmål knyttet til hvilket materiale som skal benyttes. Vi erfarer at noen materialer kan være enklere å produsere additivt enn ved for eksempel maskinering og støping. Additiv produksjon tillater mer sammensatte produkter i én enkelt prosess. Dermed reduserer man behovet for montering av mange forskjellige enkeltdeler (2).
Et godt sted å starte er ved å først og fremst se på produktets design og funksjon ved utvelgelsen av en produksjonsprosess.
Figur 2: Maskinering er best egnet for å produsere enkle produkter i høyt volum.
Produktdesignet kan rettes mot ulike typer produksjon
Produkter designet for fremstilling gjennom tradisjonelle produksjonsruter er sjeldent godt egnet for additiv produksjon. Tilsvarende er produkter optimalisert for additiv tilvirkning ofte ikke produserbare i konvensjonelle maskiner. Hvis man vurderer å benytte additiv produksjon er det derfor viktig å jobbe for å redusere volumet som skal bygges gjennom å optimalisere produktets design. Viktige elementer i en slik prosess er å redusere volumet som skal bygges uten at det får negative konsekvenser for produktets egenskaper eller belaster konstruktøren med omfattende arbeid.
3D-geometrien til produktet blir brutt ned i todimensjonale skiver, og skivene blir prosessert en etter en i additivprosessen. Uansett hvor komplisert geometri det er i 2D-skivene er produksjonskostnaden for det meste knyttet til størrelsen på arealet som konsolideres. Geometrisk kompleksitet i produktets design bidrar derfor ikke til økte kostnader. Ved maskinering er den utvendig geometriske kompleksiteten kostnadsdrivende og en komplisert innvendig geometri kan være umulig å produsere da man ikke har tilkomst for skjærende verktøy.
Maskinering er et godt valg for produkter med lav til moderat kompleksitet. Stykkprisen kan reduseres ved en økning i produksjonsvolum siden verktøybaner og oppspenningsjigger kan benyttes flere ganger (2).
Figur 3: Eksempel på design rettet mot maskinering (venstre) sammenlignet med design rettet mot additiv produksjon (høyre). En egenskap ved additiv produksjon er at det er like enkelt å lage indre geometri som ytre geometri.
| Utnytter ulike bransjer den geometriske friheten til additiv produksjon?
Flybransjen jobber mye med lettvektdesign og anvender produkt-optimaliseringssystemer for å fjerne unødvendig masse. Sprøytestøpere designer formtilpassede kjølekanaler i sine verktøy for å redusere syklustiden og sikre mer homogen kjøling underveis i produksjonsprosessen. Støperiene designer luftekanaler for å få luften ut av formen under fylling i sine verktøy. Andre reduserer antallet komponenter i et produkt ved å konsolidere sammenstillinger til enkeltkomponenter, som hvor delelisten er redusert fra 100 komponenter til 1. |
Nye muligheter med additiv teknologi
I sum, den optimale produksjonsprosessen for et konkret produkt avhenger av materiale, geometrisk kompleksitet, produksjonsvolum og budsjett. For å sikre bærekraftige prosesser og produkter i fremtiden er det viktig å evaluere om nye produkter kan egne seg for additiv produksjon for å sikre materialbesparelse og reduksjon i miljøavtrykket.
Vellykket bruk av additiv produksjon kan
- gi lavere produksjonskostnad,
- redusere material- og energiforbruk,
- øke produktets ytelse og kompleksitet,
- gi produktet et mer tiltalende uttrykk, samt
- brukes for å reparere produkter
Har man behov for et lite antall produkter med stor geometrisk kompleksitet, hvor produktegenskapene kan ivaretas selv ved vesentlig reduksjon i volum, er man på god vei til å finne en kostnadseffektiv bruk av teknologien. Additiv produksjon gjør at masseprodusert skreddersøm kan realiseres og at ledetid ved anskaffelser kan reduseres.
Figur 4: Additiv teknologi er velegnet for å produsere produkter med stor geometrisk kompleksitet.
Har du et produkt som kan egne seg for additiv tilvirkning?
Additiv tilvirkningsgruppe ved SINTEF jobber i dag med å utvide bruken av additive produksjonsteknikker i norsk industri. En viktig del av dette arbeidet er å tilby for-studier for å undersøke potensialet for bruken av additive prosesser for nye produkter. Har du et produkt du tror kan passe for additiv produksjon? Ta kontakt med vår forskningsleder Vegard Brøtan.
Referanser
2 – https://www.fagbokforlaget.no/Teknologien-endrer-samfunnet/I9788245022971
Pingback: Reparasjon: moderne teknologi kan fornye produkter - #SINTEFblogg
Pingback: 3D-Printing – Basit Khan