3D-printing av metall
3D-printing av metall fra pulver.
3D-printing av metall
Av /Shutterstock.

3D-printing er samlebegrep for ulike teknologier der man kan sende en 3D-tegning til en 3D-printer som så lager et fysisk objekt basert på tegningen. Dette er også kjent som additiv tilvirkning som er en mer vitenskapelig korrekt betegnelse.

Faktaboks

Etymologi

Begrepet knyttes til binder jetting og Massachusetts Institute of Technology (MIT) sine patenter fra 1993 på «Three Dimensional Printing Techniques».

Også kjent som

tredimensjonal printing, additiv tilvirkning

Når man 3D-printer, tegnes eller modelleres objektet først i et 3D-tegneprogram på en datamaskin. Deretter overføres modellen til en maskin som «printer ut» objektet fysisk ved å legge lag på lag helt til objektet er ferdig laget. Avhengig av type maskin kan man printe i mange ulike typer materialer, for eksempel plast, metall, tre, betong, keramer og til og med organiske materialer som cellulose og alginater.

3D-printing er prinsipielt forskjellig fra subtraktive prosesser (som dreiing og fresing) der materiale fjernes fra et utgangsmaterialet, og materialbevarende prosesser (støping, smiing med mer) der flytende materiale størkner i støpeformer, eller formes ved hjelp av varme og smiverktøy. Det finnes mange ulike prosesser og svært mange varemerke-beskyttede bransjenavn innen 3D-printing. Utstyret spenner fra rimelige og enkle «gjør-det-selv»-maskiner til avanserte høynivå-maskiner som er i stand til å produsere deler til flymotorer og romfart.

Bruksområder

3D-printing har få geometriske begrensninger og det er mulig å lage svært komplekse objekter direkte fra en digital modell i relativt små antall og uten å måtte lage dedikerte spesialverktøy. På den annen side tar prosessen i seg selv forholdsvis lang tid. For høyvolumproduksjon eller produkter med enkel geometri vil det trolig være mer lønnsomt med andre prosesser som støping, smiing eller maskinering.

3D-printing har gitt helt nye muligheter for produktdesign som ikke er mulig å produsere med andre prosesser. Teknologien spenner fra enkle og rimelige desktop-maskiner tilgjengelig for en stor del av befolkningen til avanserte industrielle maskiner, der kvaliteten selvsagt varierer avhengig av materialet og prosessen.

Fremstille prototyper

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.

Vedlikehold, reparasjon og ombygging

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.

Helse

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. En liten maskin kan lage svært mange spesialtilpassede deler allerede innen neste dag. 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. Å printe hud er kommet ganske langt, men mer kompliserte organer har et godt stykke igjen før det kan realiseres.

Fly og romfart

3D-printing brukes til å produsere svært avanserte produkter til romfart og flyindustri, i avanserte titan- og nikkelbase legeringer. Et eksempel er General Electrics (GE) LEAP jetmotor drivstoffdyse i kobolt-krom. Denne komponenten erstatter den tidligere løsningen der 18 komponenter sammenføyes, er 25 prosent lettere og fem ganger mer holdbar en den tidligere løsningen. I 2016 hadde dysene til sammen over 10 millioner flytimer. I 2021 produserte GE sin drivstoffdyse nummer 100 000.

Maritimt og offshore

Uten mulighet for godkjenning av deler igjennom sertifiseringsorganer, har det historisk vært lite aktivitet mot denne sektoren. Fra 2017 tok aktiviteten seg opp da blant andre DNV GL publiserte sin første guideline, som i 2020 ble fulgt opp av standarder og oppdateringer. Med dette på plass, økte bruken av teknologien.

Energi

På energimarkedet har Siemens i Finspång i Sverige 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 kompliserte geometri.

Utfordringer

Som alle andre produksjonsprosesser har også 3D-printing noen utfordringer. Riktige valg av prosessparametre, god kvalitet på utgangsmaterialet samt god prosesstyring underveis er viktig for å minimere utfordringene. Likevel er det ofte nødvendig med prosesser etter 3D-printingen for å sikre kvaliteten på objektene.

Overflateruhet og anisotropi

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.

Geometrisk nøyaktighet

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.

Materialkvalitet

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.

Syv hovedprosesser

Det finnes en stor mengde ulike 3D-prosesser. Disse kan kategoriseres i syv ulike grupper basert på de fysiske prinsippene som ligger bak prosessen:

Powder Bed Fusion (PBF)

3D-printing, PBF.
3D-printing, PBF.
Av /Shutterstock.

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)

Directed Energy Deposition (DED)

3D-printing, DED.
3D-printing, DED.
Av /Shutterstock.

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

Binder Jetting (BJT)

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)

Sheet Lamination (SHT)

SHT 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)

Material Extrusion (MEX)

Materialekstrudering (MEX) 3D-printer
Materialekstrudering (MEX) 3D-printer
Lisens: CC BY SA 3.0

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)

Material Jetting (MJT)

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)

Vat Photopolymerization (VPP)

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)

Historikk

Additiv produksjon i seg selv ikke noe nytt. En av metodene i oldtidens keramikkunst var å bygge opp produktet lag på lag, for eksempel med pølser av leire. Arkeologer har funnet bevis på at egypterne kunne sveise jern 3000 år fvt. Å legge ett eller flere lag med sveis på en overflate, såkalt påleggsveising, er en additiv prosess brukt allerede i siste del av 1800-tallet for å reparere maskindeler. Det som skiller disse historiske prosessene fra det vi i dag kaller 3D-printing er at objektet først er konstruert som en digital modell, før en maskin bygger objektet uten manuelle inngrep.

Det var antagelig den japanske oppfinneren Hideo Kodama som laget den første protoypen på en 3D-printer i 1981. Han tok utgangspunkt i fotopolymerisering. Den første kommersielle maskinen ble utviklet av Charles Hull i 1984. Han etablerte verdens første 3D-printingsselskap kalt 3D Systems i 1986, og kalte sin prosess Stereolithography Apparatus (SLA) som også var basert på fotopolymerisering.

Lærer og forretningsmannen Carl R. Deckard fra USA utviklet den første pulverbad-prosessen og kalte den Selective Laser Sintering. Dette var en prosess for plast og ble sluppet på markedet i 1987. Denne ble kalt SLA-1, og året etter kom det en ny modell kalt SLA-250. Tre av disse maskinene ble eksportert til Europa i 1988, hvor én ble kjøpt av NTH (dagens NTNU) og SINTEF. En kommersiell tilgjengelig maskin kom ikke før i 1992. For metaller ble EOS den første til å utgi en PBF-maskin, men dette var svært porøse deler som hadde bronse eller kobber som bindemiddel på stålpulver. Denne teknologien ble drevet fremover av ny laserteknologi, og først i 2007 ble det endelig mulig å kjøpe PBF-maskiner for metall som oppnådde nær null porøsitet.

3D-printing med ekstrudering av materiale (MEX) ble utviklet i 1988 av forretningsmannen og oppfinneren S. Scott Crump, hvor de første maskinene var tilgjengelige i 1991. Samme år ble platelaminering (LOM) en tilgjengelig prosess. Utviklingen skjøt fart utover på 2000-tallet. I 2023 er det nærmere 200 forskjellige produsenter av ulike 3D-prosesser (REF).

I Norge var NTH (dagens NTNU) og SINTEF tidlig ute med en av de første SLA-maskinene i hus på slutten av 1980-tallet. Det ble også forsket på en ny type PBF prosess som fikk navnet Metal Printing Process (MPP) der det var mulig å blande ulike materialer i samme objekt, og dermed funksjonelt graderte materialer. I dag har Norge et stort antall ulike maskiner i industri, akademia og i vanlige hjem.

Standarder

Følgende standarder er laget for 3D-printing:

  • ISO 17296-2:2015 Additive manufacturing — General principles — Part 2: Overview of process categories and feedstock
  • ISO/ASTM 52900:2021 Additive manufacturing — General principles — Fundamentals and principles- Fundamentals and vocabulary”.
  • ISO/ASTM 52901:2017 Additive manufacturing — General principles — Requirements for purchased AM parts
  • ISO/ASTM 52904:2019 Additive manufacturing — Process characteristics and performance — Practice for metal powder bed fusion process to meet critical applications
  • ISO/ASTM 52910:2018 Additive manufacturing — Design — Requirements, guidelines and recommendations
  • ISO/ASTM 52911-1:2019 Additive manufacturing — Design — Part 1: Laser-based powder bed fusion of metals
  • ISO/ASTM 52911-2:2019 Additive manufacturing — Design — Part 2: Laser-based powder bed fusion of polymer

Les mer i Store norske leksikon

Eksterne lenker

Kommentarer (2)

skrev John Petter Næss Christensen

Hei, når jeg søker på "additiv produksjon" får jeg følgende treff:
https://snl.no/.search?query=additiv+produksjon

Når seg søker på additiv tilvirkning får jeg dette:
https://snl.no/.search?query=additiv+tilvirkning

Som journalist som skriver mye om emnet vil jeg bare gjøre oppmerksom på at ordet tilvirkning er gammeldags og at det heller bør skrives "additiv produksjon".

Søker man tilsvarende på Google får med ved å søke "additiv produksjon" 111.000 treff mens kun 6060 treff med "additiv tilvirkning".

Ser man på engelsk heter det additive manufacturing, og manufacturing oversettes gjerne til produksjon og ikke til tilvirkning.
Se også Google translate: https://translate.google.no/?hl=no&sl=en&tl=no&text=additive%20manufacturing&op=translate

Med vennlig hilsen Joppe Christensen

svarte Jostein Riiser Kristiansen

Hei, og takk for et godt innspill! Vi har nå endret til «additiv produksjon». Hilsen
Jostein i SNL-redaksjonen

Kommentarer til artikkelen blir synlig for alle. Ikke skriv inn sensitive opplysninger, for eksempel helseopplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan. Det kan ta tid før du får svar.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg