Ääniseuranta – Onko se avain laserpohjaisen lisävalmistuksen kaupallistamiseen?

Tässä vuoden 2023 katsauksessa tarkastellaan lisäävää valmistusta ja akustista seurantaa. Alkuperäisen artikkelin käyttämät markkinatutkimuksen arviot arvioivat metallien ja polymeerien lisäävän valmistuksen maailmanmarkkinoiden arvoksi 7,17 miljardia euroa vuonna 2020 ja ennustivat 19,23 miljardia euroa vuodelle 2026. Lähes kolminkertainen kasvu oli ennuste, ei toteutunut vuoden 2026 tulos.

Lisäävää valmistusta hyödynnetään monilla toimialoilla. AMPOWERin kuvauksessa ilmailu, turbiinit ja helikopterit muodostivat suuren asiakassegmentin, ja lääketiede oli toinen tärkeä käyttöalue.

Markkinoiden ja sovellusten laajentuessa lisäävä valmistus on monipuolistunut. Yksi tärkeä alue on laserpohjainen valmistus. Seuraavaksi tarkastellaan sen kaupallista potentiaalia ja akustisen seurannan mahdollisuuksia laadun parantamisessa.

Kuitenkin ennen näiden näkökohtien syvempää tarkastelua on tärkeää ensin ymmärtää, mitä laserpohjainen lisävalmistus oikeastaan tarkoittaa.

Mitä on laserpohjainen lisävalmistus?

MIT Sloan School of Management kuvaa lisäävän valmistuksen prosessiksi, jossa kappale rakennetaan kerros kerrokselta. Lastuavassa eli materiaalia poistavassa valmistuksessa puolestaan poistetaan ainetta kiinteästä aihiosta, kunnes haluttu muoto saavutetaan.

Lisäävällä valmistuksella tarkoitetaan käytännössä 3D-tulostusmenetelmiä, joissa kappale muodostetaan digitaalisen mallin perusteella materiaalia lisäämällä.

Tekniikan varhaisiin vaiheisiin kuuluu Wyn Kelly Swainsonin vuonna 1977 saama patentti, jossa esitettiin kappaleen muodostamista valoherkkään aineeseen lasersäteiden avulla. Vuonna 1999 Anthony Atalan johtama ryhmä istutti potilaaseen laboratoriossa kasvatettua virtsarakkokudosta: potilaan soluja kasvatettiin biohajoavalla tukirakenteella. Kyse ei ollut kokonaisen toimivan elimen suorasta 3D-tulostamisesta. 2000-luvun puolivälissä 3D-tulostusta käytettiin myös huonekaluihin. Vuonna 2017 Norsk Titanium sai hyväksynnän Boeing 787 Dreamlinerin rakenteellisille titaaniosille; sen RPD-menetelmä käyttää plasmaa eikä laseria.

Laserit ovat olleet tärkeitä useiden lisäävän valmistuksen menetelmien kehityksessä. Laser Systems Europe kuvaa laserpohjaista lisäävää valmistusta menetelmäksi, jossa lasersäteellä sulatetaan tai liitetään lanka- tai jauhemateriaalia kerroksittain kolmiulotteiseksi kappaleeksi.

Laserpohjaiset menetelmät soveltuvat menetelmästä riippuen esimerkiksi lujiin metalliseoksiin, kestomuoveihin ja valoherkkiin hartseihin. Niillä voidaan valmistaa monimutkaisia ja tarkkoja muotoja.

Teknologian kehittyessä lasereilla on tärkeä rooli muun muassa viestinnässä, puolustuksessa, terveydenhuollossa ja puhtaassa energiassa, kuten fuusiotutkimuksessa. Myös laserpohjaisella lisäävällä valmistuksella on monia sovelluksia ja etuja.

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten laserit tulevat näyttelemään keskeistä roolia tulevina vuosikymmeninä teknologian kehittyessä.

Laserpohjaisen lisävalmistuksen tyypit ja edut

Laserpohjaisia menetelmiä ovat esimerkiksi laserjauhepetisulatus, laseria käyttävä suorakerrostus sekä laserstereolitografia. Materiaalisuihkutus ja kerroslaminointi ovat laajempia lisäävän valmistuksen luokkia eivätkä sellaisinaan aina laserpohjaisia.

Keskeinen etu on mahdollisuus valmistaa monimutkaisia rakenteita ja optimoituja geometrioita, joita tavanomaisin leikkaavin tai muovaavin menetelmin on vaikea toteuttaa.

Menetelmä voi vähentää materiaalihukkaa ja joitakin jälkikäsittelyvaiheita. Tuet, pintakäsittely, lämpökäsittely ja koneistus voivat silti olla tarpeen. Energiankulutus ei automaattisesti ole perinteistä valmistusta pienempi, vaan riippuu kappaleesta ja prosessista.

Laserpohjaisia prosesseja voidaan automatisoida ja mukauttaa käyttötarkoitukseen. Ne soveltuvat nopeaan prototypointiin, mutta nopeus ja kustannukset riippuvat materiaalista, tuotantomäärästä ja laatuvaatimuksista.

Osia voidaan yhdistää yhdeksi tulostettavaksi rakenteeksi, mikä voi vähentää kokoonpanoa ja varastointia. Menetelmä ei kuitenkaan poista kaikkea kokoonpanoa tai materiaalihukkaa. Myös kuljetusten ja elinkaaren ympäristöhyödyt on arvioitava tapauskohtaisesti.

Laserpohjaisen lisävalmistuksen sovellusalueet

Ilmailussa laserpohjaisella lisäävällä valmistuksella voidaan valmistaa kevyitä ja suorituskykyisiä osia. Autoteollisuuden sovelluksia ovat esimerkiksi moottorien, voimansiirron, pakokaasujärjestelmien ja jarrujen osat.

Terveydenhuollossa voidaan valmistaa potilaskohtaisia, monimutkaisia rakenteita, kuten lonkka-, polvi- ja hammasimplantteja.

Elektroniikassa laseravusteisia lisääviä menetelmiä tutkitaan ja käytetään esimerkiksi johtavien kuvioiden, antennien ja anturien valmistukseen. Kaikki piirilevyjen tai transistorien valmistus ei kuitenkaan ole laserpohjaista 3D-tulostusta.

Mikrosähkömekaanisten järjestelmien eli MEMS-laitteiden tutkimuksessa menetelmät voivat auttaa pienten rakenteiden ja esimerkiksi kiihtyvyysanturien tai gyroskooppien osien valmistuksessa.

Energia-alalla sovelluksia ovat esimerkiksi turbiiniosien korjaus sekä juoksupyörien, venttiilien ja lämmönvaihtimien valmistus. Kaupallisia sovelluksia on jo olemassa, mutta laajempi käyttöönotto edellyttää laadun, toistettavuuden ja kustannusten hallintaa.

Laserpohjaisen lisäävän valmistuksen kaupallistamisen haasteet

Vuonna 2016 julkaistussa tarkastelussa teollisten laserlähteiden maailmanmarkkinoiden arvoksi arvioitiin noin 3,3 miljardia Yhdysvaltain dollaria. Lisäävään valmistukseen tarkoitettujen laserlähteiden osuudeksi ilmoitettiin noin 100 miljoonaa dollaria eli noin 3 %. Luvut koskivat laserlähteitä ja tuon ajan markkinoita, eivät koko lisäävän valmistuksen nykyarvoa.

Ilmailun sertifiointivaatimukset ja autoteollisuuden hinta- ja tuotantovaatimukset hidastavat käyttöönottoa. Väite, ettei lisäävästi valmistettuja osia voisi käyttää kaupallisissa lentokoneissa, on kuitenkin liian laaja: hyväksyttyjä tuotanto-osia oli käytössä jo ennen vuotta 2023.

Kasvu edellyttää soveltuvia teollisia käyttökohteita sekä innovaatioita, jotka parantavat laatua, toistettavuutta ja taloudellisuutta.

Akustinen seuranta voi edistää laserpohjaista lisäävää valmistusta

Yksi käyttöönoton haaste on odottamattomien vikojen muodostuminen. Lämpökuvaus, optinen seuranta ja koneoppiminen voivat auttaa niiden havaitsemisessa, mutta jokaisella menetelmällä on rajoituksensa. Akustinen seuranta tarjoaa täydentävää tietoa.

Vikojen tai niitä aiheuttavien prosessitilojen tehokas havaitseminen reaaliajassa voi parantaa laatua ja tukea kaupallista käyttöä.

Akustisessa seurannassa hyödynnetään eroja valmistusprosessin tuottamissa äänisignaaleissa. Ne voivat paljastaa siirtymiä vakaasta sulatuksesta epävakaaseen tilaan.

EPFL:n termomekaanisen metallurgian laboratorion johtaja, professori Roland Logé, kuvasi tutkimuksen merkitystä seuraavasti:

”Tutkimuksemme ei ainoastaan vahvista sen merkitystä vaan tuo esiin myös sen edun perinteisiin menetelmiin verrattuna.”

Menetelmä voi tarjota kustannustehokasta laadunvalvontaa laserjauhepetisulatusprosessiin eli LPBF:ään. Jauhekerros levitetään alustalle ja laser sulattaa valitut alueet. Sen jälkeen lisätään uusi jauhekerros, ja vaiheita toistetaan, kunnes kappale on valmis.

Klikkaa tästä saadaksesi listan parhaista lisävalmistus- ja 3‑D‑tulostusosakkeista.

Vikojen havaitsemisteknologia ääniseurannan avulla

EPFL toteutti tutkimuksen yhdessä Paul Scherrer -instituutin eli PSI:n ja Sveitsin materiaalitieteen ja teknologian tutkimuslaitoksen Empan kanssa.

Tutkijat yhdistivät synkrotroniröntgenkuvauksen ja tulostuskammion erittäin herkän mikrofonin mittaukset. Äänisignaalin muutokset yhdistettiin johtumissulatuksen sekä vakaan ja epävakaan avaimenreikätilan välisiin siirtymiin. Tutkimus tunnisti prosessitiloja 100 mikrosekunnin aikaresoluutiolla ilman tekoälyä; se ei osoittanut kaikkien lopputuotteen vikojen havaitsemista.

Tulokset voivat auttaa ilmailun ja muun tarkkuusvalmistuksen laadunvalvonnassa. Teollinen soveltaminen vaatii kuitenkin menetelmän arviointia kyseisille materiaaleille ja laitteille.

Seuraavaksi esitellään laserpohjaisen lisäävän valmistuksen toimijoita ja niiden vuoden 2023 katsaukseen sisältyneitä ratkaisuja. Tämä ei tarkoita, että kaikki olisivat ottaneet kyseisen tutkimuksen menetelmän käyttöön.

Johtavat yritykset, jotka kaupallistavat laserpohjaista lisävalmistusta

#1. IPG Photonics Corporation

Kaksi laserpohjaisen lisäävän valmistuksen prosessia käyttää IPG:n lasereita: laserpinnoitus eli LMD ja valikoiva lasersulatus eli SLM. SLM sulattaa jauhepetiä, kun taas jauhesyöttöisessä LMD:ssä suutin syöttää jauhetta lasersäteen kohdistusalueelle. Molemmilla voidaan valmistaa tiiviitä metalliosia sopivilla prosessiparametreilla.

IPG:n kuitulasereita käytetään näiden prosessien kehittämiseen ja suurempien kerrostusnopeuksien tavoitteluun, etenkin usean kilowatin tehotasoilla.

IPG:n eri laserratkaisuilla käsiteltäviin materiaaleihin kuuluvat esimerkiksi:

• Polymeerit
• CoCr
• Alumiini
• Ti-seokset
• Ruostumaton teräs
• Työkaluteräkset

IPG Photonics Corporation (IPGP ) ilmoitti 31.12.2022 päättyneeltä vuodelta noin 1,430 miljardin dollarin liikevaihdon ja 2,17 dollarin laimentamattoman osakekohtaisen tuloksen. Nämä ovat historiallisia tilinpäätöslukuja.

#2. Laser Melting Innovations (LMI)

Laserpohjaisen lisäävän valmistuksen ratkaisutoimittaja LMI pyrkii tekemään tekniikasta eri kokoisten yritysten saavutettavaa.

Alpha 140 käyttää ilmajäähdytteistä 200 watin kuitulaseria. Materiaalivaihtoehtoja ovat ruostumattomat teräkset, nikkeli-, työkaluteräs- ja alumiiniseokset. Laserin 140 mikrometrin polttopiste ja ruuvikäyttöiset akselit tukevat yksityiskohtaista valmistusta sekä tarkkaa ja toistettavaa paikoitusta.

Kone on kompakti ja soveltuu myös laboratorioihin. Nykyinen valmistajan tekninen taulukko ilmoittaa pohjapinta-alan mitoiksi noin 1,675 × 1,028 metriä. Valmistajan mukaan osien lujuus on verrattavissa tavanomaisten LPBF-koneiden osiin.

LMI perustettiin vuonna 2017, ei 1996. Yhteistyö Kurtz Ersan kanssa alkoi vuonna 2020. Alpha 140 tuli saataville Kurtz Ersan maailmanlaajuisen jakeluverkoston ja ympärivuorokautisen palvelun kautta.

#3. Prima Additive

Vuoden 2023 katsauksessa Prima Additive kuului italialaiseen Prima Industrie S.p.A. -konserniin. Se tarjosi laserjauhepetisulatusratkaisuja (LPBF), joilla lasersäteen lämpö sulattaa metallijauhekerroksen valitut alueet. Prima Industrie poistui Milanon pörssistä 7.3.2023. Prima Additive siirtyi Sodickin määräysvaltaan vuonna 2025 ja sai myöhemmin samana vuonna nimen AltForm.

Katsauksessa esitellyt Prima Additiven ratkaisut soveltuivat monimutkaisiin muotoihin, pieniin sarjoihin ja prototyyppeihin.

Print Sharp 150 soveltuu tutkimus- ja kehitystyöhön esimerkiksi teräs-, alumiini-, nikkeli-, titaani- ja kobolttikromiseoksilla.

Print Genius 150 käyttää useita lasereita. Print Green 150 puolestaan käyttää vihreää laseria, joka soveltuu puhtaalle kuparille, kupariseoksille ja muille voimakkaasti heijastaville materiaaleille.

300-tuoteperhe on tarkoitettu keskisuurten ja suurten osien valmistukseen sekä korkeaa tuottavuutta vaativiin sovelluksiin.

Print Genius 400 -sarja tarjoaa automatisoitua valmistusta suurille kappaleille; 400 XL -version rakennuskorkeus on jopa yksi metri.

Prima Industrie -konsernin liikevaihto oli 30.9.2022 päättyneeltä yhdeksän kuukauden jaksolta 327,1 miljoonaa euroa, kun vertailujakson luku vuonna 2021 oli 281,4 miljoonaa euroa. Nämä ovat silloisen konsernin historiallisia lukuja, eivät Prima Additiven erillistä nykyistä liikevaihtoa.

Laserlisävalmistuksen tulevaisuus ääniseurannan ja muiden tekijöiden myötä

Akustinen seuranta voi auttaa tekemään laserpohjaisesta lisäävästä valmistuksesta toistettavampaa. Haitallisten prosessitilojen varhainen havaitseminen voi tukea vikojen ehkäisyä ja laadun parantamista yhdessä muiden seuranta- ja ohjausmenetelmien kanssa. Kaupallisen hyödyn toteutuminen riippuu onnistuneesta käyttöönotosta.