Norska UiT, Norges arktiska universitet i Narvik, har investerat i världens största pulverbädds 3D-printer, en Matsuura LUMEX Avance-60 som är en en hybrid av metall 3D-printer och höghastighetsfräsmaskin.

Vid UiT i Narvik samarbetar forskare med norsk industri för att sprida kunskap om de stora möjligheter som finns för 3D-printning i metall.

En industriell revolution

Vi kanske ska ta det mest begripliga först; Om du behöver skriva ut ett motorblock i metall så gör den här maskinen det åt dig, den kan till och med skriva ut metalldelar upp till 1300 kilo i storlekar upp till ett motorblock för en bil, säger Øyvind Søraas, laboratoriechef vid Institutionen för industriell teknik.

- Det här är helt enkelt en teknisk utveckling som bidrar till en industriell revolution där automatisering och avancerad produktion verkligen tar sin plats, påpekar avdelningschef Wei Deng Solvang.

- Samtidigt är detta teknik som i framtiden kommer att bidra till att produktutvecklingen sker på ett nytt sätt och där komponenter tillverkas annorlunda än idag, säger docent Jan-Arne Pettersen. Materialförbrukningen kommer att minimeras och produkter kan också göras starkare i förhållande till storlek. På lång sikt finns det hållbarhetstänk i denna teknik genom minskning av både energi- och materialförbrukning i produktionen, vilket naturligtvis är viktigt ur ett miljöperspektiv, säger han.

Samtidigt som en detalj byggs upp i metallpulver och smälts samman med en laser - själva printprocessen - kan maskinen utföra bearbetning av detaljen. Noggrannheten för det som produceras i printern kan jämföras med en fräsmaskin med mycket hög precision. Dessutom är det möjligt att bearbeta invändiga håligheter i det som produceras och på ett sätt som är helt omöjligt att uppnå med exempelvis en fräsmaskin.

Dags att tänka om?

Den globala pandemin har bidragit till att stora aktörer i norra Norge nu ännu en gång utvärderar riskläget för leverans av kritiska komponenter. Bland dessa finns bl.a Equinor och den norska Försvarsmakten som är helt beroende av att leverans av delar fungerar i en krissituation. För att säkra leveranser i en krissituation överväger de nu att 3D-printa nödvändig utrustning .

Equinor har tidigare gått ut med information om att de kommer att fokusera på 3D-utskrift när driften av Johan Castberg-fältet i Barentshav startar upp. Målet är att minska lagret av extrautrustning med 25%. Med 3D-printning av utrusting och delar är det istället möjligt att printa material när behov uppstår.

På UiT Norges arktiska universitets campus i Narvik samarbetar nu forskargruppen «Intelligent Manufacturing and Logistics» med industrin för att titta på framtida produktionslösningar för 3D-utskrift.

- Vi har etablerat partnerskap med produktionsföretag som vi anser vara potentiellt stora kunder av våra tjänster. Vår uppgift i detta sammanhang är att hjälpa verkstadsindustrin att få kunskap om de möjligheter som metallskrivarteknik ger, hur man använder den och dessutom identifiera kundernas behov och betalningsvilja, säger professor Wei Deng Solvang. Hon leder forskargruppen vid Institutionen för industriell teknik vid fakulteten för teknikvetenskap och teknik, UiT i Narvik.

Teknikcentret i Narvik startade med 3D-utskrift av plast redan 1992. Sedan dess har denna avdelning på universitetet investerat i både modern utrustning och kontinuerlig kompetensuppbyggnad inom området. Idag har avdelningen ett antal olika typer av 3D-skrivare som tillverkar delar av plastbaserade material.

Men utvecklingen av teknik inom 3D-utskrift tog verkligen fart i början av 2000-talet. Under de senaste tio åren har 3D-utskrift blivit en allmänt accepterad produktionsmetod i tekniska miljöer. Samtidigt är metoden fortfarande relativt okänd för norska produktionsföretag, vilket ledde till att UiT tog ett offensivt beslut 2019.

- Vid Institutionen för industriell teknik har vi lång erfarenhet av att bidra till tekniköverföring till verkstadsindustrin. År 2019 beslutade vår avdelning därför att stärka vår expertis inom 3D-utskrift av metall, säger Solvang.
Institutet investerade sedan i två maskiner:

- "Metal X" från amerikanska MarkeForged använder produktionstekniken (ADAM) Atomic Diffusion Manufacturing.
- "LUMEX Avance -60 Hybrid" från japanska Matsuura använder så kallad Selective Laser Melting technology (SLM) tillsammans med en inbyggd 3-axlig fräsmaskin. Avance -60 är överlägset världens största "serieproducerade" SLM-hybridmaskin.

De två teknikerna - och maskinerna - är mycket olika.

"Metal X" har en konstruktionsvolym på 250x250x250 mm, men begränsningen ligger särskilt i sintringsugnen, som är en rund sintringskammare med en diameter på 141 mm och en längd på 305 mm. Fördelarna med maskinen är att den är enkel att använda, den är mycket snabb att byta från en metall till en annan och det ger ett bra resultat för färdiga delar.

"LUMEX Avance-60 Hybrid" är en mycket avancerad maskin, men med en grundlig utbildning från leverantören kan användaren påbörja produktion i maskinen relativt snabbt. Maskinen har en byggvolym på (x, y och z-axeln) 600 x 600 x 500 mm, och en 3-axlig fräsmaskin med spindelhastighet upp till 45.000 varv / min är integrerad.

- Det unika med maskinen är dess förmåga att skriva ut och samtidigt bearbeta delarna i byggprocessen, påpekar Solvang.

Konstruktionen gör det möjligt att bearbeta invändiga ytor i ett föremål med stor noggrannhet för bearbetade delar ner till + - 0,001 mm.

Maskinen kan producera delar upp till 1300 kg. Den stora konstruktionsvolymen gör det dock dyrt att fylla maskinen med metallpulver. UiT fick därför ta ställning till vilken metall de ville använda.

- Vi valde att använda rostfri 630-kvalitet (17-4PH). Det är en materialkvalitet som är mycket lämplig i frätande miljöer, samtidigt som den har mycket goda mekaniska egenskaper. Stålkvaliteten används ofta i produktionen av produkter inom offshore- och jordbruksindustrin, påpekar Solvang.

Ett kilo metallpulver kostar knappt 2000 norska kronor. Att fylla byggkammaren uppgår således till minst 2,6 miljoner norska kronor.

- Som alla i den här branschen hoppas vi uppenbarligen att kostnaderna för produktion av metallpulver kommer att minskas med tiden, säger Solvang.

- De materialprover som har producerats visar att 3D-printande detaljer uppnår samma brottgräns som om materialet hade levererats från ett stålverk, säger Solvang, som också säger att bearbetningsenheten fungerar utmärkt.

För at få maximal hårdhet rekommenderar Matsuura metallpulvret Matsuura Maraging II som uppnår en hårdhet på HRC 36±1 direkt efter printning men kan komma upp till HRC 53±1 efter upphettning i 485 grader i 3 timmar.

Bearbetning i "Avance-60" tar relativt lång tid. Fräsverktygets maximala storlek är Ø10 mm, men verktyg under Ø1 mm används normalt. Därför måste man vara selektiv för vilka ytor som ska bearbetas under utskrift och vilka ytor som ska bearbetas efter utskrift.

Laboratoriet har även en 5-axlig fräsmaskin som används när större ytor behöver bearbetas efter 3D-printning. Alla referensytor är frästa i «Avance-60», vilket bidrar till enkel och exakt fastspänning i den 5-axliga fräsmaskinen.

Svenska Masentia AB (www.masentia.se ) som är återförsäljare av maskiner från japanska Matsuura bidrog till att LUMEX Avance-60 Hybrid-maskinen installerades vid UiT i Narvik i januari 2020. Därefter genomgick de anställda på universitetet en utbildning på drygt tre veckor - innan coronapandemin slog till och UiT Norges arktiska universitet fick stänga som andra utbildningsinstitutioner i Norge. Först i augusti öppnade universitetet sina dörrar igen och den interna utbildningen och testningen av maskinen kunde fortsätta. Resultaten har hittills varit mycket positiva.

Vi är mycket nöjda med leveransen och uppföljningen, personalen från Matsuura och Masentia har varit serviceinriktade och hjälpsamma och de har en mycket hög kompetens som vi drar nytta av.