Turbinblad: Ingeniørene hos Siemens har testet ut nye måter å fremstille turbinblader. Med SLM kan de gjøres mye lettere fordi de kan produseres med en svært sterk indre bærestruktur som er svært vekt og material­besparende i forhold til tradisjonelle massive konstruksjoner. (Bilde: ORV)

3D-PRINTING

Slik kan 3D-printing endre industrien for alltid

– Ingeniørene må begynne å drømme igjen.

SLM

  • En laser 3D-printer kalles ofte for en SLM-maskin. Selective Laser Melting innebærer at en eller flere lasere smelter et svært finkornet pulver av en eller annen legering i en atmosfære av argongass. Laserne­ er montert over en seng av pulver og beveger­ seg etter mønsteret den får fra styringsprogrammet. Når et lag er smeltet/sveiset fast oppå det foregående senkes produktet ned en gitt distanse. Hos Siemens senkes delene ned 0,02 mm. Deretter skrapes et nytt lag pulver over produktet og så gjentas prosessen med det neste sjiktet som programmet har beregnet. Hastigheten varierer fra 10 til 20 mm i timen.
  • Dagens SLM-maskiner er bygget for å fremstille mindre deler og med begrenset hastighet. I løpet av et par år ventes det at det kommer nye maskiner som vil øke dimensjonene til rundt en halv meter. Det utvikles også maskiner med flere lasere. Det er ingen ting i veien for at en maskin kan ha flere titalls lasere som jobber sammen om hvert sjikt. Hver av dem vil øke fremstillings­hastigheten og gjøre at SLM kan overta for dagens produksjonsteknologi.

I tusenvis av år har vi produsert ting ved å begynne med en stein, et trestykke eller et metallstykke. Så har vi formet det til den delen vi vil lage. Nå står vi overfor en revolusjon i måten vi produserer på. I stedet for å fjerne material fra et stort emne kan vi bygge det opp fra ingenting.

Nå eksploderer interessen for 3D-printing, og mange ser på det som en revolusjon med store konsekvenser for hvordan og hvor vi produserer ting.

Hurtig prototyping

3D-printing begynte som et nyttig verktøy for raskt å lage prototyper på slutten av 80-tallet. Rapid Prototyping ble det kalt, og involverte en maskin som kunne skape produkter lag for lag direkte fra en CAD-tegning. Siden har teknologien vokst sakte, men sikkert. Spesielt etter at noen av de viktige patentene gikk ut.

Nå er det ikke bare plast det handler om. Keramer og metaller er også kommet med på lista.

Hvorfor skal vi frakte gods rundt om i verden når det kan printes lokalt?

Prinsippet for 3D-printere er enkelt. Produktet som skal printes legges på lag for lag til det er ferdig. Det skjer i et kammer hvor en eller annen prosess binder materialet til laget under. Det kan skje ved at produktet som skal bygges beveger seg i X- og Y-retning, eller at påføringsmekanismen beveger seg mens produktet står i ro.

Les også: Her bygger de boliger med en 3D-printer

SLM: 3D-printing av metall ved såkalt selektiv lasersmelting gjør det mulig å produsere geometrier som har vært svært vanskelig eller umulig å lage med tradisjonelle metoder. ORV

En skarp UV-lampe

3D-printing begynte med at en skarp UV-lampe belyste sjikt etter sjikt i et produkt som trinnvis ble senket ned i et kammer med en monomervæske. UV-lyset fikk væsken til å polymerisere og bli til plast. Da alle lagene var skrevet, var produktet ferdig.

En enda enklere metode som benyttes i virkelig billige printere, er å la en slags limpistol legge på lagene. Slike 3D-printere får man for noen få hundre dollar, men er mer til lek og lær-bruk enn til industri.

Printing med metall er heller ikke nytt, men nå tar det av i stor fart. Her handler det ikke bare om å produsere lokalt, men om å produsere ting som knapt har vært mulig å lage med konvensjonelle metoder. Raskt går det også.

Vi er på besøk hos Siemens’ fabrikk i Finspång, tre mil vest for Norrköping.

I den tradisjonsrike fabrikken som Siemens kjøpte for 12 år siden, har de produsert dampgassturbiner i over 100 år. Nå går det så det suser. Behovet for gassturbiner øker raskt, fordi krafttransmisjon er så dyrt, og fordi man trenger balansekraft når fornybare kilder bygges ut. De 3400 ansatte har nok å gjøre.

Les også: Ny 3D-modell av Norge vil koste 300 millioner

Bedre: – SLM-fremstilte produkter er bedre enn de som produseres med tradisjonelle metoder, sier teknologidirektør Vladimir Navrotsky i Siemens Industrial Machinery. Siemens

Printer deler

Nå har Siemens skaffet seg to 3D-printere som kan fremstille deler i stål ved hjelp av selektiv lasersmelting – SLM.

– Vi tror SLM er et veldig stort teknologiskifte som vil endre produksjonsprosessene i industrien. I stedet for å begynne på et stort stykke materiale og gradvis fjerne det vi ikke trenger, bygger vi opp akkurat det vi skal ha. Men det er mye mer enn det. SLM gjør at prosessen henger sammen fra design til produksjon. Lasermaskinen bygger akkurat det produktet designeren har konstruert. Det er ikke lenger en rekke adskilte trinn, sier adm. direktør for Siemens Industrial Machinery, Hans Holmström.

Siemens tror prisen på produkter fremstilt ved SLM vil falle betydelig. Kanskje så mye som 70 prosent innen 2020.

– Dette har potensial til å endre svært mye vi har vært vant med til i dag. Rent produksjonsmessig er SLM og andre 3D-printteknologier en revolusjon etter utrolig mange år med evolusjon. Bare tenk på reservedeler og hva det koster å ha på lager. Med denne teknologien vil vi ikke ha reservedeler på lager. Vi vil skrive dem ut når vi trenger dem. Det eneste man trenger er en SLM-maskin og den rette pulverblandingen, sier han.

Les også: Her er metall-3D-printeren du kan lage selv

Lasersmelting: Her ser vi hvordan laseren har smeltet metallpulveret og er i ferd med å danne et 0,02 mm tykt sjikt i et produkt som fremstilles i SLM-maskinen.

Mye mer fleksibelt

– Tradisjonelle produksjonsmetoder har store begrensninger som SLM ikke har. Vi kan fremstille produkter med en nøyaktighet på 20 mikron hvor som helst i produktet. Det betyr at vi kan lage komplekse hull i svært små dimen­sjoner, og de trenger ikke være runde. De kan like gjerne være firkantet. Når vi kan fri oss fra tradisjonell produksjonsteknologi, kan vi gi delene optimal utforming. Vi kan også bygge konstruksjoner med vegger på 0,3 mm, og vi kan bygge med en ekstrem reproduserbarhet, sier teknologidirektør Vladimir Navrotsky.

– Pussig nok står den menneskelige faktoren i veien for utviklingen. Det er vanskelig å få designfolk til å tenke nytt rundt noe de ikke har hørt om på skolen. Dette må inn i undervisningen til ingeniørene, og de må forstå at de ikke har de begrensningene de har hatt før. De må begynne å drømme igjen, sier Holmström.

I turbiner, som Siemens lager i Finspång, vil mange av fremtidens deler bli bygget med en indre gitterstruktur. Det vil gi mye mindre materialforbruk og vesentlig tettere deler som er enklere å kjøle og som krever mindre service.

– Vi lager roterende deler som utsettes for enorme sentrifugalkrefter og voldsom varmepåkjenning, og det gjør printteknologien spesielt gunstig for oss, sier Navrotsky.

Les også: Gratis kartdata lar deg 3D-printe et lite stykke Norge

Mye raskere utvikling

Gassturbiner: Siemens’ fabrikk i Finspåga har produsert turbiner i over hundre år.
En av de store, men mindre åpenlyse fordelene med 3D-printing er vesentlig kortere utviklingstid.

– Vi kan øke hastigheten på innovasjonssyklusen svært mye. Det å designe, fremstille og teste prototyper tidligere var en svært omfattende og tidkrevende prosess. Nå tar det dager og ikke måneder, og det betyr at vi kan teste ut mye mer radikale ideer, sier Holmström.

Han tror ikke 3D-printing vil overta alt vi gjør med dagens produksjonsteknologi i fremtiden. Noen prosesser er så kosteffektive at de vil leve videre i overskuelig fremtid. Samtidig tror han at teknologien vil gjøre mange komplekse produksjonsprosesser rangen stridig, og det vil kunne gå fort. I dag er ofte komponenter sveiset sammen av mange bearbeidede deler. Det er både raskere, billigere og gir sterkere produkter å kunne printe dem som én del i stedet.

Les også: NTNU har en av verdens mest avanserte 3D-printere

Skifte

SLM kommer til å endre ingeniørenes og operatørenes arbeid. Trinnene som i dag ligger mellom konstruktøren og det ferdige produktet forsvinner, og slike fagfolk vil i økende grad blir overflødige.

– Denne utviklingen endrer ikke på behovet for ingeniører, men de vil jobbe på en annen måte, og de må fornye kunnskapen sin. Vi trenger fortsatt gode prosessingeniører og materialteknologer. Lærestedene har i for liten grad begynt å undervise i 3D-print, sier Andreas.

Ifølge Navrotsky er SLM-fremstilte produkter bedre enn de som produseres med tradisjonelle metoder. De er sterkere, og de gir et bedre feste for en eventuell overflatebehandling.

I dag har Siemens to SLM-maskiner i Finspång. De benyttes til utvikling og til å lage to produkter. Han ser for seg at dette tallet vil mangedoble seg de neste par årene.

Les også:

Norske Espen lever et 3D-print-eventyr i San Francisco

Mannen bak pop-up-reklamen: – Unnskyld!

Rendra gir byggeplaner i 3D rett i lomma