Akustisk Overvågning – Er Det Nøglen til Kommercialisering af Laserbaseret Additiv Fremstilling?

Additiv fremstillingsmarkedet er i vækst. Som brancheforskningsestimater viser, forventes det globale metal- og polymeradditive fremstillingsmarked, der i 2020 var vurderet til 7,17 milliarder euro, at vokse til 19,23 milliarder euro i 2026. Denne vækstkurve antyder en næsten tredobling inden for seks år.

En række industrier udnytter additiv fremstilling for at nå deres produktionsmål. Især viser rapporter, at luftfarts-, turbine- og helikoptersektorerne fører an og besidder den største andel. Dette efterfølges tæt af en betydelig adoption inden for den medicinske industri.

Med den voksende størrelse af markedet og et stadigt udvidende udvalg af anvendelser har additiv fremstilling diversificeret sig kraftigt, både i form og anvendelighed. En bemærkelsesværdig udvikling inden for dette område er laserbaseret additiv fremstilling. I de følgende afsnit vil vi dykke ned i dets kommercielle potentiale og den betydelige rolle, som akustisk overvågning kan spille i en vellykket anvendelse.

Før vi udforsker disse aspekter i dybden, er det dog vigtigt først at forstå, hvad laserbaseret additiv fremstilling faktisk indebærer.

Hvad er laserbaseret additiv fremstilling?

MIT Sloan School of Management definerer additiv fremstilling som “processen med at skabe et objekt ved at bygge det lag for lag. Det er det modsatte af subtraktiv fremstilling, hvor et objekt skabes ved at skære væk fra en solid blok af materiale, indtil det endelige produkt er færdigt.”

Ud fra definitionen kan additiv fremstilling betyde enhver proces, hvor et produkt skabes ved at bygge noget op. Men i praksis refererer det til tredimensionel udskrivning.

Hvis vi ser på historien om 3D-udskrivning, startede den i 1977, da Wyn Kelly Swainson patenterede den målrettede brug af laser på en bakke nedsænket i flydende plast, som smeltede et lag af fast plast på toppen. I 1999 3D‑printede forskere ved Wake Forest Institute for Regenerative Medicine en blære, hvilket blev det første 3D‑printede organ i menneskets historie. Det første funktionelle 3D‑printede møbel opstod i 2005. En større industriel anvendelse af 3D‑udskrivning kom, da Boeing lancerede sine FAA‑godkendte 3D‑printede titandele til 787 Dreamliner.

Siden begyndelsen af additiv fremstilling har lasere været en afgørende komponent. Laser Systems Europe, en publikation baseret i Cambridgeshire for integratorer og brugere af industrielle lasersystemer til materialebehandling, definerer laser‑additiv fremstilling som en proces, hvor “en laserstråle bruges til at smelte eller smelte successive lag af tråd‑ eller pulvermateriale sammen for at skabe et 3D‑objekt.”

Teknologien kan anvendes på en række materialer, herunder højstyrke metallegeringer, termoplastik og harpikser. Den er i stand til at skabe komplekse former med et betydeligt præcisionsniveau.

Efterhånden som teknologien udvikler sig, vil lasere spille en afgørende rolle i at forme vores fremtid. Dens anvendelse findes i vid udstrækning inden for kommunikation, forsvar, sundhed, ren energi/kernereaktion og mere. Det samme gælder for laserbaseret additiv fremstilling, som også har mange anvendelsesområder og fordele.

Klik her for at lære, hvordan lasere vil spille en central rolle i de kommende årtier, efterhånden som teknologien udvikler sig.

Typer og fordele ved laserbaseret additiv fremstilling

Laserbaseret additiv fremstilling kan have forskellige typer, herunder pulverbedfusion, direkte energideposition, materialejetting, arklaminering og stereolitografi.

En af dens mest karakteristiske fordele ligger i evnen til at skabe komplekse strukturer med optimerede geometrier. Konventionelle teknikker inden for additiv fremstilling kan ikke opnå dette præcisionsniveau.

Den præcision, som laserbaseret additiv fremstilling tilbyder, hjælper med at reducere behovet for efterbehandling. Den minimerer materialespild og reducerer energiforbruget drastisk sammenlignet med, hvad traditionelle fremstillingsprocesser kræver.

Laserbaserede additive fremstillingsprocesser er nemme at automatisere og tilpasse efter præcise behov. Metodens præcision og automatiserbarhed gør den til en effektiv løsning for hurtig prototyping til markant lavere omkostningsniveauer.

Da laserbaseret additiv fremstilling ikke kræver samling, kan den fremstilles præcis efter efterspørgslen, hvor processen kun bruger de nødvendige materialer uden overskud eller spild. Det gavner også miljøet ved at reducere CO₂‑aftrykket fra logistik, transport og affaldshåndtering.

Anvendelsesområder for laserbaseret additiv fremstilling

Anvendelsen af laser‑additiv fremstilling har et stort omfang. I luftfartsindustrien er den for eksempel afgørende for at skabe dele, der både er højtydende og lette. Teknologiens fordele strækker sig også til bilindustrien, hvor den bruges til at producere vigtige komponenter til motorer, gearkasser, udstødningssystemer og bremser.

Derudover spiller laser‑additiv fremstilling en væsentlig rolle inden for sundhedssektoren, især ved fremstilling af patient‑specifikke komplekse designs. Dette omfatter en række protetiske løsninger som hofte‑ og knæimplantater samt tandimplantater.

Inden for elektronik udnyttes laser‑additiv fremstillings præcision til at skabe højpræcise PCB’er. Denne præcision muliggør produktion af elektroniske produkter med finere funktioner, herunder antenner, sensorer og transistorer.

Teknologiens potentiale er også tydeligt i dens anvendelse inden for fremstilling af mikroelektromekaniske systemer (MEMS). Her muliggør den fremstilling af indviklede komponenter som accelerometre og gyroskoper.

I energisektoren viser laser‑additiv fremstilling sig nyttig til reparation af gas‑ og vindturbin dele. Den spiller også en kritisk rolle i fremstilling af komponenter som impellere, ventiler og varmevekslere. Men på trods af det mangefacetterede anvendelsespotentiale er laser‑additiv fremstilling endnu ikke blevet tilstrækkeligt kommercialiseret.

Laser‑additiv fremstilling: Manglende kommercialisering

En undersøgelse fra 2016 gik i dybden med den empiriske analyse af kommercialiseringsniveauerne for laser‑additiv fremstilling. Undersøgelsen anslog størrelsen af det globale industrielle lasermarked, der omfatter alle lasersystemer, til omkring US$3,3 milliarder. Inden for dette omfattende marked udgjorde additive lasersystemer kun en del på US$100 millioner. Procentmæssigt udgjorde lasersystemer kun 3 % af den samlede markedsværdi.

Tallene kan også bekræftes af kvalitative oplysninger fra industrikilder. For eksempel har det regulatoriske klima i luftfartsindustrien holdt brugen af laser‑additiv fremstilling stort set begrænset til prototyper, så den ikke kan anvendes i kommercielle fly. Tilsvarende er den certificerede brug af laser‑additiv fremstillingsdele i bilindustrien kun for nylig begyndt.

Den kommende vækst i laser‑additiv fremstilling vil derfor afhænge af at finde anvendelse i store produktionsindustrier. Derudover skal den drives af innovationer, der tydeligere fremhæver dens potentiale end før.

Akustisk overvågning: En game‑changer for laser‑additiv fremstilling

En central årsag til, at laserbaseret additiv fremstilling ikke har opnået den forventede fremdrift, er udfordringen med uventede fejl. Disse fejl kan ofte ikke opdages med traditionelle metoder som termisk billeddannelse og maskinlæringsalgoritmer.

Derfor er evnen til effektivt at opdage fejl i realtid afgørende. Denne evne kan i høj grad hjælpe laser‑additiv fremstilling med at realisere sit reelle kommercielle potentiale.

Kort sagt er akustisk overvågning af fejl i laser‑additiv fremstilling en realtidsløsning, der fungerer på forskellen i lyden, som printeren afgiver under en fejlfri udskrift versus en udskrift med fejl og uregelmæssigheder.

Når man taler om relevansen af akustisk overvågning som et middel til at opdage fejl i laser‑additiv fremstilling, sagde professor Roland Loge, leder af Laboratoriet for termomekanisk metallurgi ved EPFL’s School of Engineering:

“Vores forskning bekræfter ikke kun relevansen, men understreger også dens fordel i forhold til traditionelle metoder.”

Processen er omkostningseffektiv, især når det gælder kvalitetsforbedring af produkter fremstillet ved Laser Powder Bed Fusion (LPBF). I LPBF‑processen spredes et lag pulver over en byggeplatform. Laserstrålen bruges derefter til selektivt at smelte pulveret i specifikke områder. Når sammensmeltningen er fuldført, og der er dannet et solidt objekt, spredes et nyt lag pulver ovenpå igen for at gentage processen. Denne lag‑for‑lag‑gentagelse fortsætter, indtil det endelige produkt er opnået.

Klik her for listen over de bedste aktier inden for additiv fremstilling og 3D‑print.

Teknologien til fejldetektion gennem akustisk overvågning

EPFL‑teamet udviklede designet i samarbejde med Paul Scherrer Institute (PSI) og de schweiziske føderale laboratorier for materialvidenskab og teknologi (Empa).

For at nå deres mål placerede teamet ultrafølsomme mikrofoner inde i printerkammeret. Disse mikrofoner hjalp med at fastslå tydelige skift i det akustiske signal under regimeændringer og identificerede til sidst fremstillingsfejl.

Forskningen tilførte værdi til området laser‑additiv fremstilling, da forskerne mener, at deres resultater vil have en betydelig indvirkning på laser‑additiv fremstillings industrielle anvendelser, herunder luftfart og præcisionsfremstilling.

Når man ser på de bredere implikationer, tilbyder mange virksomheder inden for laser‑additiv fremstilling en række produkter og løsninger. Disse firmaer er nu klar til at udforske studiet yderligere for at integrere fordelene i deres processer. I de følgende afsnit vil vi se på nogle af disse innovative og førende aktører inden for laser‑additiv fremstilling.

Topvirksomheder, der kommercialiserer laserbaseret additiv fremstilling

#1. IPG Photonics Corporation

To af laser‑additiv fremstillingsprocesser anvender IPG‑lasere: LMD (Laser Metal Deposition) og SLM (Selective Laser Melting). Mens SLM er afgørende for at producere fuldt tætte metaldele med forbedrede mekaniske egenskaber, bruger LMD‑processen en dyse til koaksialt at tilføre pulver ind i det fokuserede laserpunkt, hvilket muliggør fremstilling af fuldt tætte funktionelle metalkomponenter.

I forbedringen af disse processer spiller IPG‑fiblaser en afgørende rolle. De er centrale i udviklingen af systemer og processer, der opnår hurtigere pulveropbygning eller pulverdepositionshastigheder, især ved flere kilowatt effekt.

Rækken af materialer, der er kompatible med IPG’s laser‑additiv fremstillingsproces, er bemærkelsesværdigt divers, herunder, men ikke begrænset til:

• Polymerer
• CoCr
• Aluminium
• Ti‑legeringer
• Rustfrit stål
• Værktøjsstål

Som bevis på succesen med disse teknologiske fremskridt rapporterede IPG Photonics Corporation (IPGP ) stærke finansielle resultater for året, der sluttede den 31. december 2022. Virksomheden registrerede en omsætning på over US$1,4 milliarder, med et nettoresultat pr. almindelig aktie (grundlæggende) på US$2,17.

#2. Laser Melting Innovations (LMI)

LMI, en innovativ leverandør af laser‑additiv fremstillingsløsninger, arbejder med visionen om at gøre teknologien tilgængelig for virksomheder af alle typer og størrelser.

Dets flagskibsprodukt, The Alpha 140, anvender en luftkølet fiblaser med 200 W effekt, kompatibel med bearbejdning af rustfrit stål, nikkel‑legeringer, værktøjsstål‑legeringer og aluminium‑legeringer. Dens fokaldiameter på 140 µm hjælper med at producere præcise output med fine detaljer og tynde vægge. Dens spindeldrevne akse‑system sikrer høj positionerings‑ og gentagelsesnøjagtighed.

Systemets dimensioner på 1,75 m × 0,95 m giver pladsbesparelse i både produktionsmiljøer og forskningslaboratorier. Komponenter fremstillet af Alpha 140 er sammenlignelige med dem, der produceres af konventionelle LPBF‑maskiner med hensyn til styrke og tæthed.

LMI blev grundlagt i 1996, og i 2020 indgik de et samarbejde med Kurtz Ersa, en maskinbygger, der også tilbyder additive fremstillingsløsninger til industrier som bil, medicin og luftfart, for at markedsføre Alpha 140 via Kurtz Ersas verdensomspændende distributionsnetværk med 24‑timmers service.

#3. Prima Additive

Prima Additive, en division af Prima Industries (PRIMAIN.BO ) spa, tilbyder Laser Powder Bed Fusion (LPBF) eller Selective Laser Melting‑løsninger, der udnytter laserens termiske energi til at smelte en del af et objekt til et lag af metallisk pulver.

Prima Additive laser‑løsninger viser sig effektive, når man arbejder med komplekse geometrier, små produktionsserier og prototyper. Den har i alt fem løsninger.

Print Sharp 150 er effektiv i F&U‑applikationer til bearbejdning af en række materialer, såsom stål, aluminium, nikkel, titanium og kobolt‑chrom‑legeringer.

Når vi ser på en anden model, er Print Genius 150 karakteristisk for sin multi‑laser‑teknologis alsidighed. I modsætning hertil anvender Print Green 150‑varianten en grøn laser, som er særligt nyttig til bearbejdning af rent kobber, kobber‑legeringer og stærkt reflekterende materialer.

Og til større operationer passer 300 Family‑løsningen perfekt. Den er designet til høj‑produktivitetsscenarier og er ideel til fremstilling af mellemstore og store komponenter.

Endelig tilbyder Print Genius 400 en højt automatiseret mulighed for at producere store komponenter op til 1 meter i højden.

Set i forhold til omsætning registrerede Prima Industries Spa, moderselskabet til Prima Additives, en nettoomsætning på over 327 millioner euro for de ni måneder, der sluttede den 30. september 2022. Dette var en betydelig stigning i forhold til omsætningen på over 281 millioner euro for de ni måneder, der sluttede den 30. september 2021.

Fremtiden for laser‑additiv fremstilling med akustisk overvågning og mere

Efterhånden som innovationerne fortsætter, er det kun et spørgsmål om tid, før laser‑additiv fremstilling når sit reelle kommercielle potentiale. I mellemtiden træder akustisk overvågning frem som et vigtigt værktøj. Denne teknologi vil bidrage til at gøre fremstillingsteknikker mere konsistente. Ved tidligt at opdage fejl og lette deres korrektion er den klar til markant at forbedre produktkvaliteten i den nærmeste fremtid.