Additiv Tilvirkning Introduksjon til teknologiene
I dag: Presentasjon av NTNU-IVB/Addlab Presentasjon av deltagerene Introduksjon til additiv tilvirkning Gjennomgang av teknologiene Hva skjer i Norge i dag? Veien mot investering 2
Presentasjon av meg Svein A. Hjelmtveit Laboratorieleder ADDLAB Produksjonsjef Nordic Additive Manufacturing (2.stilling) Fagbrev Verktøymaker Maskiningeniør - Høgskolen i Gjøvik 3
TRONDHEIM GJØVIK ÅLESUND Norges teknisk-naturvitenskapelige Universitet -Skapes kunnskap for en bedre verden og løsninger som kan forandre hverdagen 4
HF AD IE IV MH NV SU ØK VM Fakultet for ingeniørvitenskap (IV) Institutt for energi- og prosessteknikk Institutt for marin teknikk Institutt for geovitenskap og petroleum Institutt for bygg- og miljøteknikk Institutt for konstruksjonsteknikk Institutt for maskinteknikk og produksjon Institutt for havromsoperasjoner og byggteknikk Institutt for vareproduksjon og byggteknikk 5
IVB i tall 47 ansatte (fast) + 4 stillinger (skal lyses ut i 2017), ca. 60% 1. kompetanse, 8 professorer 13 PhD stipendiater + 4 utlysninger til KD-stip. Ca. 1 000 studenter (IVB) 4 faggrupper: Teknologi og Ledelse Fornybar Energi Byggfag Geomatikk Laboratorier: Additive Manufacturing laboratorium (3D-printer Polymer og Metall) Norsk forskningslaboratorium for Universell Utforming Div. laboratorier relatert til faggruppene: Maskinlab, Bygglab, Geomatikklab (landmåling / GIS), 3D-print studentlaboratorium Stort forskermiljø på vareproduksjon 6
Studentvekst TØL Studenter TØL 1800 1600 1400 1343 1420 1600 1200 1116 1149 1000 800 750 820 960 600 521 400 200 0 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016
Studier / Utdanning - Status Master Master in Sustainable Manufacturing Bachelor Bærekraftige byggeprosesser Byggingeniør (+ TRES/Y-vei/nett) Maskiningeniør (+ TRES/Y-vei/nett) Geomatikk Teknologidesign og ledelse Fornybar energi 8
Studier / Utdanning - Planer Bachelor Grunnmuren er praksisnær Ingeniørutdanning Vil videreutvikle disse i nært samarbeid med Ålesund og Trondheim for økt kvalitet Bachelor i Maskinfag studieretning i Plast og kompositt Studieretning kvalitetsledelse Master Master i Sustainable Manufacturing (videreutvikles SRM+) Multi-campus mastere innen: Materialteknologi, sammenføyningsteknologi Bygg Geomatikk PhD-utdanning fokusert på vareproduksjon 9
Forskning - Status Teknologiledelse (TIP, Lean management) Process monitoring, machine learning (REALISM) Machine vision accuracy (PhD/MultiMat) System dynamics modelling (2 PhD) Manufacturing Information systems strategy (PhD) Atomic scale modelling of light weight materials (Suplight, SFI) Joining of dissimilar materials (CIRP Keynote, Manufuture) Learning factories (CIRP CWG, Konferanse) Additive Manufacturing (SFI, MKRAM, ESSPK, Addform, Packool) Wireless sensor systems (RFFINNL) Surfaces and surface integrity (Ski innovasjon, forsprang 2018) Universell utforming (Nasjonal lab) Lettvektsmaterialer / kompositter (Komposittsenteret) Fornybar energi + LCA (FME CINELDI) Tre som materiale/ Trehusindustrien/Bygd miljø (PhD) 10
Forskning Hovedsatsing Vareproduksjon Satsing på NTNU Senter for Produksjonsforskning - NSPF: Samarbeid IPK, IPM, IVB, Ålesund - Senterledelse på Gjøvik Nært samarbeid med og koordinert med SRM, SFI Manufacturing og Tech-senter på Raufoss Strategisk samarbeid med SINTEF M&K, T&S og IKT, samt UIA, UIS og UIO Internasjonalt nettverk KIC AVM, CIRP, Manufuture, IEEE Forskningsbasert og IKT-støttet utdanning på alle nivåer: BSc, MSc, PhD og livslang læring KIC AVM 2016 (Søkandsfrist Juli, SINTEF er Core partner, NTNU på vippen ) Søknad om infrastrukturmidler i 2016 (er i gang) EU, KPN, IPN -søknader hvert år (KPN, IPN og EU-prosjektsøknader er i pipeline) Langsiktige planer (krever svært høy forskninsintensitet for å muliggjøre dette): SFI (Additiv? Maskinlæring? ) 2018 + 2022 SFF 2022 ERC 2026 12
Forskning - Satsing Satsing på plast og kompositt med biomaterial fokus: Rekrutering av en professor + PhD innen plast og kompositt høsten 2016 i tett samarbeid med SRM. Fokus på produksjon og applikasjoner med bærekraftig vinkling /biobaserte materialer. Finansiert av KUF fondet Studieretning Plast og Kompositt i Bachelor ingeniørfag, Maskin er klar og startes høsten 2016. Overgang til eksisterende master ved NTNU er klar SINTEF materialer og kjemi har finansiering for en PhD innen plast og kompositt med utgangspunkt i NTNU i Gjøvik Utvikling av etter- og videreutdanningsemner innen plast og kompositt ved NTNU-videre Oppbygging av utdanningslab. i samarbeid med FI IPN prosjekt Megamould Komposittsenteret Additiv manufacturing av polymer (MKRAM) 13
14 Ønske om å utvikle sammenføyningslaboratorium som del av NAPIC senter i Trondheim Ønsker å utvikle Lean Factory lab Additiv Manufacturing Laboratory Målet er å bli Norsk senter for Additive Manufacturing ADDLAB.no
15 Forskning Satsing på Byggenæringen
Forskning Satsing på Norsk laboratorium for universell utforming Eksempler på hva som kan testes: Tilgjengelighet Ramper Korridorsystemer Varselsmerking og skilting Informasjonstavler Fargevalg og kontraster 16
Innovasjon Hvordan utvikle bærekraftig produkt innovasjon? NTNU i Gjøvik: - 2 paper presentert om tema i 2016 - Forskningsgruppe dannes høsten 2016-1 book (ca 475 A5-sider) vil snart være klar - Master program i Sustainable Manufacturing Industri i Gjøvik region: Undersøkelser vil bli gjort for finne ut interessen for: Seminarer Samarbeid om student prosjekter Forskningsprosjekter med NTNU Stig Ottosson 17
18
Trondheim Gjøvik Ålesund Additive Manufacturing ved NTNU i Gjøvik Fokusområder: Kompetansesenter innenfor additive tilvirkning. Utdanning på PhD, master- og bachelornivå med både teori og praktiske øvelser Deltagelse i nasjonale og internasjonale FoU-prosjekter Samarbeid med bedrifter der målet er å skape bedre produkter og produksjonsprosesser Etterutdanning av industri, spesielt rettet mot produktutvikling og design 19
Additive Manufacturing Laboratory - ADDLAB Norges hittil eneste forskningslab for AM 3+1 Ingeniører Jobber tett sammen med forskningsgruppen Sustainable Manufacturing og Professor Prashanath Konda Industrielle maskiner Polymer Metall Desktop maskiner for studenter FDM SLA SLS LOM Binder jetting
mini-addlab Educational lab for all students at campus. Accessible as «print shop» for students on request. About to be extensively upgraded. 21
Markforged Mark TWO FDM Composites printer, continuous fibers Prusa I3 MK2 FDM 60 units in POD configuration 3D Platform Workbench FDM Large format printer, build volume of 1000x1000x500mm 22
Ultimaker 3 Extended 3 stk Zmoprh 2.0 SX 5 stk MassPortal Pharaoh XD 23
2 stk Filament extrudere for å lage tråd fra pellets/skrap Sintratec SLS DIY kit 24
Arcam A2X - Electron Beam Melting Additive Manufacturing system for metals Powder bed technology Heated build-chamber in vacuum insures excellent material properties Build volume: 200x200x380mm
TITANIUM Ti6AlV4 INCONEL 718 ++
EOS P395 Selective Laser Sintering Additive Manufacturing System for polymers Materials: PA12 (nylon) PA12 (Nylon) PA12 GB (glass filled) PA12MDAl (aluminum filled) Build volume: 300x300x580mm 27
Mechanical test equipment Universal testing rig - ZWICK 100kN
Mechanical test equipment Fatigue stress testing
30
31
www.addlab.no additive@hig.no Nettside: - Ofte stilte spørsmål - Produksjonsplan - Kontakt info Mail med køsystem : - Spørsmål - Engineering - Bestilling av laboratorietjenester 32
Introduksjon til additiv tilvirkning Teknologier
Historisk tilbakeblikk Første patenter i 1960 årene Utviklet i 1980 årene Stereolitografi Fused Deposition Modelling Laser Sintering Laminate stacking Charles Hull Carl Deckard Hans Langer 34
Leketøy eller milliard industri? Maskin produsenter Produksjonsbedrifter Material tilvirkere Service bureau Programvare utviklere Samtlige opplever en voldsom økning! 35
36 Voksende markeder
37 Hype cycle
Hvor i verden? Global produksjonskapasitet NordAmerika Europa Asia Andre 38
Typiske bruksområder Visuelle hjelpemidler (for ingeniører, designere leger osv) Presentasjonsmodeller Prototyper for passform og montering Modeller for verktøyfremstilling Støperimodeller Tooling direkte fra AM Funksjonelle deler Forskning og utdanning Annet 39
Hovedkategorier av fremstillingsmetoder Formativ fremstilling Smiing, støping osv Substraktiv fremstilling Maskinering fra emne Additiv fremstilling Tilføring av material 40
Terminiologi og standardisering Additiv tilvirkning er en generell betegnelse for de teknologiene som fremstiller fysiske objekter ved å suksessivt tilføre materiale. Beskrivelse fra ISO/ASTM 52900:2015 Utviklet av ISO/TC 261 og ASTM F42 for å holde en felles standard på terminologi tilknyttet de additive prosessene 41
42 Terminologi - Standardisering
43
44 Standardens beskrivelse av prosessene
45
46
47 Teknologioversikt
Sheet Lamination Fordeler: Enkelt i bruk Trygg i bruk, ingen varme osv Billige materialer Full farge muligheter Ulemper: Mye etterarbeid Mekaniske egenskaper Lite materialeffektivt Marterialer: Papir kompositt 48
49
Vat Polymerisation Væskebasert printing - resin Herder ved en gitt bølgelengde En av de eldste teknologiene Fordeler: Høy nøyaktighet Overflate finnish Materialutvalg maskinmuligheter Ulemper Etterbehandling av deler Kjemikalier Mye svinn/restmateriale Slitestyrke/levetid
Produkter Egenskaper for produkter Raske og «billige» men kun i forhold til prototyper laget med konvensjonelle metoder. Dyr 3D printing metode pga lang prosesstid og dyrt materiale Høy presisjon Mekanisk stabile produkter Materialet er gjennomsiktig Fler komponent modeller er mulig ( ferdig montert) Komponenter inni hverandre er mulig Småserie og prototyper
SLA maskinens virkemåte Prosess SLA 3D modell kappes opp til skiver (sliceing) Laser skriver ( tegner) 1ste skive. Polymeren herder Plattform senkes ned tilsvarende «skivetykkelsen» Laser skriver neste skive Plattform senkes ned igjen Prosessen gjentas
Materialise Mammoth
til bitte liten.. Multi forton polymerisasjon går ut på at 3D objekter blir skrevet inn i en solid blokk av fotosensitiv gel ved hjelp av en fokusert laser. Bare de områder der laseren fokuserer herder og blir til de ønskede objektet. Dette er en metode som operere på micro nivå og objekter ned til 100nm kan lett fremstilles
DLP DLP er basert på en flytende polymer som herder når den utsettes for hvitt lys akkurat som et fotopapir. Dette foregår i «mørkerom» og overskytende materiale er vasket vekk før objektet tas frem i lyset.
CLIP Continuous Liquid Interface Production Første steg; Printing Objektet bygges opp fra en plate som er Gjennomsiktig Permeabel Oksygengass trenger gjennom platen Platen lyssettes fra undersiden Hastighet Prosessen tillater bruk av mer lysfølsomt materiale og sterkere lyskilde Nå er CLIP 50-100 ganger raskere en andre metoder Potensialet i metoden sies å være 1000 ganger raskere
CLIP Continuous Liquid Interface Production Andre steg; Varmebehandling En etterfølgende varmebehandling setter i gang er sekundær herdeprosess E modul vil da kunne økes betraktelig Styrke vil også økes
Material ekstrudering - 3D printing FDM/FFF Fordeler: Gode materialer tilgjengelig Stort/enormt utvalg materialer Oppløselige støttestrukturer Ingen etterbehandling* Ulemper Lav mekanisk styrke Sakte fremstilling
Fra leketøy til produksjonsmaskiner Utrolig utvikling de siste årene Økende pålitelighet og repeterbarhet Industrialisering på gang!
Nye spennende materialer Materialer med industrikvalitet PEEK, PEKK, POM, PC Metalliske materialer Green parts Polymakr Polycast Spesialmateriale for støpemodeller
3D-printing av kompositter Neste store innen 3Dprinting? Flere store aktører på banen Stratasys Infinite Build Markforged Mark X Mark two Onyx Metal X
Markeforged kontinuerlig kompositteprinting Kombinerer material ekstrusjon med innlaminering av kontinuerlige fibertråder. Karbonfiber, glassfiber, kevlar
Også for metaller
Andre spennende materialer Printing av bygninger Ekstruderbare betongblandinger Printing i biomasser Trefiber
Material Jetting Prosessen er som å printe på papir. Fordeler: Overflate finnish Nøyaktighet Farger Bra materialutvalg Konduktive materialer Gummi aktige Bio-kompatible Høy temp. bestandige Keramer og metaller mulig Ulemper: Følsomme for UV og fukt Mekanisk styrke Rengjøring av deler fra maskin
Xjet Nano-particle jetting
Binder Jetting Fordeler: Ingen støttestruktur Rask prosess Høy detaljnøyaktighet Mulig med farger Ulemper: Krever etterbehandling Mekaniske egenskaper Begrenset funksjonalitet Materialer: Gips Sand metaller
Sandprinting Nye muligheter for støpeindustri Muligjør komplekse former Hule kaviteter Sparer mye manuelt arbeid printing av støpeformer
On the way to "Casting 4.0"
ExOne
Voxeljet Byggevolum 4x2x1m
Pulverbad teknologier Både polymerer og metaller Fordeler: Ingen støttestrukturer hos polymerene Funksjonelle materialer Mulig å pakke deler i 3 dimensjoner Gode materialegenskaper Ulemper: Følsom prosess Lang prosesstid med oppvarming og nedkjøling krever klimakontroll Metallene krever mye know how Komplisert suportering på metaller Materialer: Nylon, PEEK, TPU, Metaller
Selective Laser Sintering Additive Manufacturing System for polymers Materials: PA12 (nylon) PA12 (Nylon) PA12 GB (glass filled) PA12MDAl (aluminum filled) Build volume: 300x300x580mm 76
Data preparation Data preparation in Magics Slice using EOS RP-Tools CAD Format: STEP og STL Job preparation using PSW Start job 77
78 Layout of machine (P395) & accessories
Laser sintering process 1 Recoat 2 Warm up 3 4 EOS 2011 Basic Training P 395
Laser sintering process 1 Recoat 2 Warm up 3 Expose 4 EOS 2011 Basic Training P 395
Laser sintering process 1 Recoat 2 Warm up 3 Expose Lower building platform 4 EOS 2011 Basic Training P 395
Utpakking og rengjøring av deler
Basic information on process Exposure During the exposure of a layer for a part, the laser beam moves over the surface of the bed of powder: Exposure of the part contour Hatching of the enclosed area of the layer Outer contour (edge of part) Contour line (centre of the path of the laser beam for the exposure of the contour) Hatch lines (centre of the path of the laser beam for the exposure of the enclosed area of the layer)
PPP parameter sets TopSpeed Properties: Layer thickness = 180 µm For large, thick-walled parts For parts critical for distortion For high part accuracies For low-cost parts with average to high quality requirements Speed Properties: Layer thickness = 150 µm For large to medium parts For lower-cost parts Surface quality and mechanical properties somewhat higher than for TopSpeed
PPP parameter sets Balance Properties: Layer thickness = 120 µm EOS standard parameters Balanced part properties Suitable for the widest spectrum of geometries, part sizes and requirements Performance Properties: Layer thickness = 100 µm Isotropic strength and stiffness in all three spatial directions Fine resolution with simultaneous very high surface quality For medium to small parts with high quality requirements
PPP parameter sets Usage Suitable PPP parameter sets are available for different part property profiles. TopSpeed Speed Balance Performance TopQuality Productivity Mechanical properties Surface Accuracy to shape Process stability = acceptable... = best possible 86
Multi Jet Fusion The digital furnace of the future! 87
Selectiv Laser Melting Som SLS bare for metaller Økende antall produsenter de siste årene EOS SLM Consept Laser Renishaw 3Dsystems Realizer/DMG MORI En haug med kinesiske Markedsstyrende innen AM utviklingen her kommer den store industrialiseringen! 88
De store aktørene tar nå steget mot fullautomatisering SLM 800 factory 89
Pumpehus - Renishaw Original Production Design 2,5kg Optimised Design 1,3kg 90
Topologioptimalisering Baserer seg på data fra styrkeberegning Definerer grensebetingelser Beregner spenningsfordelingen Fjerner overflødig materiale jevner ut overflater Fiksing og printbarhets analyse.
93 Mange måter å topologiotimalisere på
94
95
96 Støttestrukturer er ekstremt viktig å beherske
Support på metall Kan være ekstremt tidkrevende Hull og supporterte overheng kan endre geometrien på produserte deler Indre kanaler og hulrom er vanskelige å fjerne support fra https://www.youtube.com/watc h?v=kqphicctfmw
98 Design optimalisert for prosess
Hybridmaskiner pulverbad og CNC Matsuura Lumex 99
10 EBM - Electron Beam Melting
EBM prosessen Elekronstråle 3kW Emittes fra krystall (Q-serie) eller Wolfram filament (A/S-serie) Posisjon kontrolleres av elektromagneter Ingen bevegelige deler! Ekstremt rask og presis forflytning av strålen Kan holde flere smeltebad aktive samtidig MultiBeam Strålen deflekteres og fokuspunkt endres 10
EBM prosessen Byggekammeret er i vakuum atmosfære Undertrykk på 1 10 5 mbar Liten mengde Helium tilsettes i byggekammeret Prosessen går varmt Prosesstemp avhengig av material. Ti6AlV4 tett rundt 650 C Inconel 718 over 1000 C Eneste varmekilde er elektronstrålen 10
Byggeprosessen Samme prinsipp som andre powderbed teknologier Raken henter pulver fra byggetankene og fordeler over byggeplaten. Strålen varmer opp overflaten Ulike varmesekvenser Forvarming globalt/lokalt Smelting Ettervarming Alt pulver rundt byggeplatform sintres Prosessen gjentas 10
Etter bygging Maskinen kjøles ned Temperatur under 100 C Maskinen åpnes og rengjøres Løst pulver fjernes fra alle overflater Sintret kake tas ut av maskinen Deler rengjøres i PRS Powder Recovery System Postprosessering av deler 10
Materialoversikt Arcam tilbyr prosessparametere for følgende materialer: Ti-6Al-4V (Grade5) Ti-6Al-4V-ELI (Grade23) Titanium CP (Grade2) CoCr alloy ASTM F75 Gamma-TiAl, Ti-48Al-2Cr-2Nb Inconel 718 Ni-19Cr-19Fe Low Pressure Turbine blade in γ-titanium aluminide. Courtesy ofavio Aero 10
Materialkvalitet Ti6AlV4 Elektronstråle, vakuum og høy temperatur gir god prosesskontroll og gode materialegenskaper. Varmebehandling (HIP) anbefales for enkelte komponenter 10
Pulver for EBM Ferdiglegerte materialer Plasma-atomisert for optimal form og flytevne Leveres av AP&C Eies av Arcam Involvert i 1% av all titan produsert på verdensmarkedet Partikkelstørrelse for EBM: 45-110 µm EBM er ikke begrenset til materialleverandør/teknologi 10
Andre materialer med potensiale i EBM Ni-baserte superlegeringer (Inco625, HasteloyX) Rustfrie stål (17-4, 316) Verktøystål (H13) Aluminium (6061) Harde materialer (Ni-WC) Kobber Beryllium Niobium Amorphous metals Invar Wolfram Materialer med smeltetemperatur opp til 3400 C lar seg smelte med 3kW elektronstråle! 10
Hvorfor bruke EBM Større designfrihet enn andre powderbed teknologier Høy temperatur under bygging forhindrer indre spenninger Høy effektivitet Større partikler Høyere lag Mer effekt Raskere prosess (opp til 80 cm 3 /h) Prosesstabilitet God materialkvalitet på deler ut av maskin Stabling av deler! Eneste metallprint teknologi som lar deg stable deler i flere lag 108 deler på 80 timer 10
Hvilke komponenter er spesielt egnet for EBM Aviation and Medical Gir ideell struktur for osseointegrasjon i proteser Komponenter med store masseendringer / overheng Store komponenter med potensiale for store indre spenninger Høyytelse deler i høyytelse materialer 11
Hvilke er mindre egnet Komplekse, tynne kjølekanaler Krevende å fjerne sintret pulver Deler med store indre hulrom Krevende å fjerne sintret pulver Deler med høye krav til overflatefinhet Store partikler og høy effekt gir grovere overflate 11
Direckt Energy Depositioning Fordeler: Multimaterialer Ingen støttestrukturer Tett materiale Ulemper: Driftskostnad materialutnyttelse presisjon Materialer: Titan, Inconel +++ 11
Norsk industrieventyr? Norsk Titanium https://www.youtube.com/watch?v=shffery6294 Unik prosess hvor titanwire smeltes med plasmastråle til ett grovt maskineringsemne. 11
Hybridmaskiner Et nytt og voksende segment innen AM teknologi Mange leverer nå kombinerte AM og maskineringsentre. DMG MORI 11
Laser deopsitioning Trumpf TruLaser LMD BeAM Siacy Optomec Oerlicon Laserline 11
Additiv tilvirkning i metaller Man skaper egenskapene i materialet under veis i prosessen. 11
Status i norge i dag Noen få aktører innen metall: Tronrud Engineering 2 Powder Bed Fusion (PBF) Promet AS 1 PBF Nordic Additive Manufacturing NAM 1 Direct Energy Deposition (DED) Westad Industrier 1DED NTNU Gjøvik/Trondheim - 2 PBF Uni Sørsøst 1 Hybridmaskin DED/CNC 11
Veien mot investering Den viktigste investeringen er kompetanse. Kombinasjonen av forståelse av AM prosessene og god kjennskap til egne produkter er nøkkelen til å lykkes. Enkelt beskrevet er veien som følger: 1. Finn produkter med potensiale. 1. Analyser produktets verdipotensiale hva er ønskelig? 2. Velg passende teknologi 1. Tilpass eller redesign produktet for teknologivalget 3. Velg materiale. 1. Om foretrukket legering ikke er tilgjengelig se etter alternativer. Det finnes gode erstatninger for de aller fleste materialer. Bruk tilgjengelig kompetanse hos leverandører, test og verifiser kvalitet før man velger og investere selv. 11
Ta gjerne kontakt om det dukker opp spørsmål Svein A Hjelmtveit Senior Engineer, Laboratory Manager Department of Manufacturing and Civil Engineering Norwegian University of Science and Technology (NTNU) Phone +47 611 35 496 / Cell +47 994 68 144 Svein.Hjelmtveit@ntnu.no svein@nordicadditive.no www.addlab.no additive@hig.no 11