Banbrytande teknik i Sveriges första 3D-verkstad
I Finspång har Siemens investerat 200 miljoner kronor i en verkstad för serietillverkning av metallkomponenter genom 3D-utskrift – additiv tillverkning (AM).
Det är den banbrytande teknik som på sikt beräknas revolutionera tillverkningsindustrin. Anläggningen i Finpång är den första i sitt slag i Sverige och även inom Siemens globalt. Den ska syssla med utveckling, tillverkning och reparation av komponenter i metall för kraftindustrin. Få företag i världen täcker för närvarande alla dessa områden med denna teknik.
Maskinerna i den nya verkstaden ska användas för att snabbt skapa produktprototyper, för snabb tillverkning och för snabba reparationer av först och främst komponenter för våra industriella gasturbiner, förklarar Andreas Graichen, gruppchef för utveckling av additiv tillverkning, Siemens Industrial Turbomachinery.
Utvecklingen av tekniken kan idag beskrivas i fyra mognadsgrader:
1: prototyping (få om några kvalitetskrav)
2: kommersiell produktion (till exempel eligt ISO 9001)
3: integrering av dataflödena mellan digitala delprocesser till ett enda flöde som fungerar felfritt
4: globaliserad produktion oberoende av geografi.
- Ännu så länge måste mänskliga tekniker flytta över data från en materialdatabas till en CAD-ritare, därefter till ett simuleringsverktyg och från detta vidare.
- Just nu befinner vi oss alltså på nivå två av de fyra och har påbörjat arbetet med den digitala integrationen. Den tar troligen flera år att genomföra eftersom våra datasystem är så komplexa, säger Andreas Graichen.
Räcker med att trycka
När slutmålet – steg fyra – är nått ska det räcka trycka på en printknapp för att skriva ut en färdig metallkomponent. All databehandling sköts då automatiskt i bakgrunden.
- Det är vår vision, säger Andreas Graichen och medger att det handlar om många års arbete innan man är vid målet, trots hjälp av ett antal dataavdelningar hos Siemens i Tyskland.
Den nya 3D-verkstaden är en långsiktig satsning.
- Vi har ännu inte har sett alla möjligheter med tekniken. Genom den här investeringen bygger vi upp kompetens och erfarenhet som kan leda till nya idéer och utveckling inom området.
Siemens avsikt med satsningen är att man i framtiden ska kunna skriva ut en stor andel komponenter med komplexa geometrier, strategiska för funktionen hos en gasturbin.
– Vi ska utveckla nya och förbättrade komponenter och utföra reparationer av exempelvis brännarspetsar för våra industriella gasturbiner. Reparationstiderna kan kortas från månader till veckor.
- För närvarande har vi material och recept för att skriva ut brännarkomponenter i begränsad skala. Fler recept är under utveckling.
Ännu så länge använder man kommersiellt tillgängliga metallpulver för 3D-utskrifterna.
- Vanligtvis ett metallpulver som heter Hastelloy X, en nickelbaslegering som har stora fördelar vid gasbrännartillverkning. Ibland använder vi rostfria stålvarianter som t ex 316L.
- Men vi håller på att utveckla ett antal egna. Det handlar om ingenjörsmaterial eftersom vi kommer att kunna förutse deras egenskaper. Metallpulver skiljer sig från vanliga material som plåt, varmvalsade stänger, gjutna komponenter och så vidare. Metallpulver är en ny materialfamilj som är annorlunda. I en del fall är 3D-utskrivna detaljer överlägsna, till exempel när det gäller sträckgräns. I andra fall är de likvärdiga eller sämre, förklarar Andreas Graichen.
Mängden värme och hur snabbt lasern skriver ut påverkar materialegenskaperna. Egentligen handlar det om klassisk svetsteori. Som svetsingenjör i grunden och känner jag igen alla effekter vi får idag från den svetsning jag sysslade med för 15 år sedan, berättar Andreas Graichen.
Statligt stöd halkar efter i Sverige
Genom 3D-utskrifter är det möjligt att tillverka "annars omöjliga" produkter.
- Exempel på sådana är att skapa detaljer med interna kylsystem eller att dämpa vibrationer. I både fallen handlar det om att skapa en form av fackverksstruktur. Vi presenterade en sådan produkt på den senaste Hannovermässan, berättar Andreas Graichen.
Tekniken med 3D-utskrifter i metall kommer att förändra tillverkningsindustrin.
- Särskilt här hos Siemens i Finspång. Vi räknar med att tillverkning på traditionellt sätt med gjutning, svarvning och fräsning kommer minska i betydelse för vissa komponentfamiljer om ett antal år, säger Andreas Graichen.
Sverige har emellertid väntat länge med att satsa på additiv tillverkning och har halkat efter internationellt sett. Det statliga stödet för tekniken kom i Tyskland och England för 8-10 år sedan. Först nu startar det i Sverige genom bland annat Vinnova.
- 3D-utskrifter borde vara intressanta även för mindre verkstadsföretag, anser Andreas Graichen.
- För närvarande finns det åtminstone ett litet antal svenska mindre företag som använder 3D-printer. Kostnaden för en maskin borde inte vara oöverkomligt – runt 5 miljoner kronor. Dessutom är det avsevärt enklare att ställa om och applicera ny produktionsteknik i ett litet företag jämfört med ett jättestort som Siemens, menar han.
- Tänk, med en enda maskin kan man tillverka allt man behöver inom ett visst storleksområde. En metallarbetande industri som har några 3D-skrivare skulle kunna täcka stora delar av produktionsfloran, säg med en maskin för Hastelloy X, en för rostfritt stål och en för titan.
Den svåraste stötestenen är att förändra konstruktörers sätt att tänka.
(phototexts: )
siemens2.jpg
1. Andreas Graichen håller i en brännarfront som sitter i gasturbinens allra innersta och hetaste kärna. Endast den allra yttersta brännarspetsen behöver numera tas bort och kan repareras i ett enda moment (bilden intill) med hjälp av 3D-skrivare.
2. Exempel på intrikata strukturer som går att bygga. I bakgrunden skymtar några av komponenterna som idag produceras med hjälp av 3D-skrivare i Finspång.
----------------
(separate box)
FAKTARUTA:
90 procent kortare ledtid
Additiv tillverkning kan minska ledtider upp till 90 procent jämfört med konventionella flöden som omfattar gjutning, borrning och så vidare. Precisionen i tillverkningen och den relativa friheten från speciell verktyg kan ge upp till 10 gånger snabbare tillverknings- och reparationstider, och förkorta utvecklingscykler från år till månader eller veckor.
Förutom hastigheten är fördelen med additiv tillverkning jämfört med konventionella metoder dess förmåga att framställa praktiskt taget alla tänkbara former och inre komplexitet utan att behöva använda delkomponenter.
Designers kan tänka långt utöver de begränsningar som design inom konventionell tillverkning innebär. Komplexa komponenter som förut bestått av flera olika delar kan med 3D-printing tillverkas som en enda integrerad komponent, och uppnå både hög hållbarhet och förbättrad effektivitet i helt nya konstruktioner.
Med en additiv tillverkningsmetod/3D-printing/SLM-Selective Laser Melting byggs komponenter upp lager för lager. Ett tunt lager av ett speciellt sammansatt metallpulver sprids ut på en byggplatta. Därefter smälter en laserstråle lagret av metallpulver inom utvalda delar av pulverytan och skapar på detta vis en önskad form i just detta skikt. Processen upprepas lager för lager sedan tills produkten är färdig.
Även om lageruppbyggnaden är långsam är tekniken avsevärt snabbare än konventionell eftersom färre processteg behövs för utveckling, tillverkning och reparationer.
Andra fördelar är bland annat materialbesparing med åtföljande minskad miljöpåverkan, färre verktyg, färre delar i en komponent, vilken kan ges integrerad effektiviserad funktionalitet som till exempel kylning.