Akustisk overvåking – er det nøkkelen til kommersialisering av laserbasert additiv produksjon?

Markedet for additiv produksjon er i vekst. Som bransjeforskning anslår, forventes det globale markedet for metall- og polymeradditiv produksjon, som hadde en verdi på 7,17 milliarder euro i 2020, å vokse til 19,23 milliarder euro innen 2026. Denne vekstkurven antyder en nesten tredobling innen seks år.

En rekke industrier utnytter additiv produksjon for å nå sine produksjonsmål. Rapportene viser at luftfarts-, turbine- og helikoptersektorene leder an og har den største andelen. Dette etterfølges tett av betydelig adopsjon innen medisinsk industri.

Etter hvert som markedet vokser og anvendelsesområdet stadig utvides, har additiv produksjon blitt svært diversifisert, både i form og anvendelse. En bemerkelsesverdig utvikling innen dette feltet er laserbasert additiv produksjon. I de følgende avsnittene vil vi gå nærmere inn på det kommersielle potensialet og den betydelige rollen akustisk overvåking kan spille for en vellykket anvendelse.

Før vi utforsker disse aspektene i større dybde, er det viktig først å forstå hva laserbasert additiv produksjon egentlig innebærer.

Hva er laserbasert additiv produksjon?

MIT Sloan School of Management definerer additiv produksjon som “prosessen med å lage et objekt ved å bygge det lag for lag. Det er det motsatte av subtraktiv produksjon, hvor et objekt skapes ved å skjære bort fra en solid blokk av materiale til sluttproduktet er ferdig.”

Etter definisjonen kan additiv produksjon bety enhver prosess for å lage et produkt ved å bygge opp noe. I praksis refererer det imidlertid til tredimensjonal utskrift.

Hvis vi ser på historien til 3‑D‑utskrift, startet den i 1977 da Wyn Kelly Swainson patenterte målrettet bruk av laser på en brett nedsenket i flytende plast, som smeltet et lag av solid plast på toppen. I 1999 3‑D‑printet forskere ved Wake Forest Institute for Regenerative Medicine en blære, som ble det første 3‑D‑printede organet i menneskets historie. Det første funksjonelle 3‑D‑printede møbelet dukket opp i 2005. En mer stor‑skala industriell bruk av 3‑D‑utskrift var da Boeing lanserte sine FAA‑godkjente 3‑D‑printede titandi­eler for 787 Dreamliner.

Siden begynnelsen av additiv produksjon har lasere vært en avgjørende komponent. Laser Systems Europe, en publikasjon fra Cambridgeshire for integratorer og brukere av industrielle lasersystemer for materialbehandling, definerer laser‑additiv produksjon som en prosess hvor “en laserstråle brukes til å smelte eller smelte påfølgende lag av tråd‑ eller pulvermateriale sammen for å skape et 3D‑objekt.”

Teknologien kan brukes på et bredt spekter av materialer, fra høystyrke metalllegeringer til termoplaster og harpikser. Den er i stand til å lage komplekse former med et betydelig presisjonsnivå.

Etter hvert som teknologien utvikler seg, vil lasere spille en avgjørende rolle i å forme vår fremtid. Anvendelser finnes i stor grad innen kommunikasjon, forsvar, helse, ren energi/kjernefysisk fusjon og mer. Det samme gjelder laserbasert additiv produksjon, som også har ulike anvendelser og mange fordeler.

Klikk her for å lære hvordan lasere vil spille en sentral rolle i de kommende tiårene etter hvert som teknologien utvikler seg.

Typer og fordeler med laserbasert additiv produksjon

Laserbasert additiv produksjon kan ha ulike typer, inkludert pulverbed‑fusjon, direkte energideponering, materialjetting, ark‑laminering og stereolitografi.

En av de mest karakteristiske fordelene er evnen til å skape komplekse strukturer med optimaliserte geometrier. Konvensjonelle teknikker for additiv produksjon klarer ikke å oppnå dette presisjonsnivået.

Presisjonen som laserbasert additiv produksjon tilbyr bidrar til å redusere behovet for etterbehandling. Den minimerer materialavfall og reduserer energiforbruket drastisk sammenlignet med tradisjonelle produksjonsprosesser.

Laserbaserte additivproduksjonsprosesser er enkle å automatisere og tilpasse etter eksakte behov. Metodens presisjon og automatiserbarhet gjør den til en effektiv løsning for rask prototyping til merkbart lavere kostnader.

Siden laserbasert additiv produksjon ikke krever montering, kan den produseres i nøyaktig samsvar med etterspørselen, der prosessen kun bruker nødvendige materialer uten overskudd eller avfall. Den gagner også miljøet ved å redusere karbonavtrykket fra logistikk, transport og avfallshåndtering.

Anvendelsesområder for laserbasert additiv produksjon

Bruken av laser‑additiv produksjon har et stort omfang. I luftfartsindustrien er den for eksempel avgjørende for å lage deler som både er høyytelses og lette. Teknologiens fordeler strekker seg også til bilindustrien, hvor den brukes til å produsere viktige komponenter for motorer, girkasser, eksossystemer og bremser.

I tillegg har laser‑additiv produksjon en betydelig rolle innen helsevesenet, spesielt ved å lage pasientspesifikke komplekse design. Dette inkluderer en rekke proteseløsninger som hofte‑ og kne‑implantater samt tannimplantater.

Innen elektronikk utnyttes presisjonen i laser‑additiv produksjon til å lage høypresisjons‑PCB‑er. Denne presisjonen gjør det mulig å produsere elektroniske produkter med finere detaljer, inkludert antenner, sensorer og transistorer.

Teknologiens potensial er også tydelig i anvendelsen innen mikroelektromekaniske systemer (MEMS). Her muliggjør den fremstilling av intrikate komponenter som akselerometre og gyroskoper.

I energisektoren viser laser‑additiv produksjon seg nyttig for reparasjon av gass‑ og vindturbin‑deler. Den spiller også en kritisk rolle i produksjon av komponenter som impellere, ventiler og varmevekslere. Til tross for det mangfoldige bruksområdet har laser‑additiv produksjon ennå ikke blitt tilstrekkelig kommersialisert.

Laser‑additiv produksjon: Manglende kommersialisering

En studie fra 2016 gikk i dybden på den empiriske analysen av kommersialiseringsnivåene for laser‑additiv produksjon. Undersøkelsen anslo størrelsen på det globale industrielle lasermarkedet, som omfatter alle laserkilder, til omtrent US$3,3 milliarder. Innenfor dette omfattende markedet utgjorde additive laserkilder kun en del på US$100 millioner. Prosentvis utgjorde laserkilder kun 3 % av den totale markedsverdien.

Tallene kan også bekreftes av kvalitative opplysninger fra bransjekilder. For eksempel har det regulatoriske klimaet i luftfartsindustrien holdt bruken av laser‑additiv produksjon stort sett begrenset til prototyping, og den kan ikke brukes i kommersielle fly. På samme måte har den sertifiserte bruken av laser‑additiv produksjonsdeler i bilindustrien kun nylig startet.

Den kommende veksten av laser‑additiv produksjon vil derfor avhenge av å finne bruksområder i store produksjonsindustrier. I tillegg må den drives av innovasjoner som tydeliggjør potensialet mer fremtredende enn tidligere.

Akustisk overvåking: en spillveksler for laser‑additiv produksjon

En hovedgrunn til at laserbasert additiv produksjon ikke har oppnådd den momentet den kunne ha, er knyttet til utfordringen med uventede feil. Disse feilene er ofte ikke oppdagbare med tradisjonelle metoder, som termisk avbildning og maskinlæringsalgoritmer.

Derfor er evnen til å effektivt oppdage feil i sanntid avgjørende. Denne evnen kan i betydelig grad hjelpe laser‑additiv produksjon med å realisere sitt reelle kommersielle potensial.

Kort fortalt er akustisk overvåking for å oppdage feil i laser‑additiv produksjon en sanntidsløsning som fungerer på forskjellen i lyden printeren lager under en perfekt utskrift versus en utskrift med feil og uregelmessigheter.

“Vår forskning bekrefter ikke bare relevansen, men understreker også fordelen over tradisjonelle metoder.”

Prosessen er kostnadseffektiv, spesielt når det gjelder kvalitetsforbedring av produkter laget med Laser Powder Bed Fusion (LPBF). I LPBF‑prosessen spres et lag med pulver over en byggeplattform. Laserstrålen brukes deretter til selektivt å smelte pulveret i bestemte områder. Etter at fusjonen er fullført og et solid objekt er dannet, spres et nytt pulverlag på toppen igjen for å gjenta prosessen. Denne lag‑for‑lag‑repetisjonen fortsetter til sluttproduktet er oppnådd.

Klikk her for listen over topp‑aksjer innen additiv produksjon og 3D‑utskrift.

Teknologien for feiloppdagelse gjennom akustisk overvåking

EPFL‑teamet utviklet designet i samarbeid med Paul Scherrer Institute (PSI) og de sveitsiske føderale laboratoriene for materialvitenskap og teknologi (Empa).

For å nå sitt mål satte teamet opp ultrafølsomme mikrofoner inne i utskriftskammeret. Disse mikrofonene bidro til å fastslå tydelige endringer i det akustiske signalet under regimeendringer, og til slutt hjalp de med å identifisere produksjonsfeil.

Forskningen tilfører verdi til feltet laser‑additiv produksjon, da forskerne tror at funnene vil ha betydelig innvirkning på industrielle anvendelser av laser‑additiv produksjon, inkludert luftfart og presisjonsproduksjon.

Med tanke på de bredere implikasjonene tilbyr mange selskaper som er involvert i laser‑additiv produksjon en rekke produkter og løsninger. Disse firmaene er nå klare til å utforske studien videre for å integrere fordelene i sine prosesser. I de følgende segmentene vil vi se på noen av disse innovative og ledende aktørene innen laser‑additiv produksjon.

Toppbedrifter som kommersialiserer laserbasert additiv produksjon

#1. IPG Photonics Corporation

To av laser‑additiv produksjonsprosesser bruker IPG‑lasere: LMD eller Laser Metal Deposition og SLM eller Selective Laser Melting. Mens SLM er viktig for å produsere fullt tette metalliske deler med forbedrede mekaniske egenskaper, bruker LMD‑prosessen en dyse som koaksialt mater pulver inn i den fokuserte laserpunktet, noe som muliggjør produksjon av fullt tette funksjonelle metallkomponenter.

For å forbedre disse prosessene spiller IPG‑fiblaser en avgjørende rolle. De er sentrale i utviklingen av systemer og prosesser som oppnår raskere oppbygging eller deponering av pulver, spesielt på flerkilowatt‑nivå.

Materialutvalget som er kompatibelt med IPG‑s laser‑additiv produksjonsprosess er bemerkelsesverdig variert, inkludert, men ikke begrenset til:

• Polymerer
• CoCr
• Aluminium
• Ti‑legeringer
• Rustfritt stål
• Verktøystål

Som bevis på suksessen med disse teknologiske fremskrittene rapporterte IPG Photonics Corporation sterke finansielle resultater for året som endte 31. desember 2022. Selskapet registrerte en omsetning på over US$1,4 milliarder, med et nettoresultat per vanlig aksje (grunnleggende) på US$2,17.

#2. Laser Melting Innovations (LMI)

LMI, en innovativ leverandør av laser‑additiv produksjonsløsninger, arbeider med visjonen om å gjøre teknologien tilgjengelig for selskaper av alle typer og størrelser.

Flaggskipet deres, The Alpha 140, bruker en luftkjølt fiblaser med 200 W effekt, kompatibel med bearbeiding av rustfritt stål, nikkel‑legeringer, verktøystål‑legeringer og aluminium‑legeringer. Dens 140 µm fokussdiameter bidrar til å produsere presise resultater med fine detaljer og tynne vegger. Det spindeldrevne akse‑systemet gir høy posisjonering og gjentakelsesnøyaktighet.

Systemets dimensjoner på 1,75 m × 0,95 m gir plassbesparelse i både industrielle miljøer og forskningslaboratorier. Komponentene som produseres av Alpha 140 er sammenlignbare med de som produseres av konvensjonelle LPBF‑maskiner når det gjelder styrke og tetthet.

LMI ble grunnlagt i 1996, og i 2020 inngikk selskapet et samarbeid med Kurtz Ersa, en maskinbygger som også tilbyr additiv produksjonsløsninger til industrier som bil, medisin og luftfart, for å markedsføre Alpha 140 via Kurtz Ersas verdensomspennende distribusjonsnettverk med 24‑timers service.

#3. Prima Additive

Prima Additive, en avdeling av Prima Industries spa, tilbyr Laser Powder Bed Fusion (LPBF) eller Selective Laser Melting‑løsninger som utnytter laserens termiske energi til å smelte en del av et objekt til et lag med metallpulver.

Prima Additive‑laserløsninger viser seg effektive når man arbeider med komplekse geometrier, små produksjonsserier og prototyper. Den har totalt fem løsninger.

Print Sharp 150 er effektiv i FoU‑applikasjoner for bearbeiding av ulike materialer, som stål, aluminium, nikkel, titan og kobalt‑krom‑legeringer.

Et annet modell, Print Genius 150, skiller seg ut med sin flerlaser‑teknologis allsidighet. I kontrast bruker Print Green 150‑varianten en grønn laser, som er spesielt nyttig for bearbeiding av rent kobber, kobber‑legeringer og svært reflekterende materialer.

For større skala‑operasjoner passer 300‑familieløsningen perfekt. Den er designet for høy‑produktivitetsscenarier og er ideell for produksjon av mellomstore og store komponenter.

Til slutt tilbyr Print Genius 400 en høyt automatisert løsning for produksjon av store komponenter opptil 1 meter i høyde.

Når det gjelder inntekter, registrerte Prima Industries Spa, morselskapet til Prima Additive, en nettoinntekt på mer enn 327 millioner euro for de ni månedene som avsluttet 30. september 2022. Dette var en betydelig økning fra inntektene på mer enn 281 millioner euro for de ni månedene som avsluttet 30. september 2021.

Fremtiden for laser‑additiv produksjon med akustisk overvåking og mer

Etter hvert som innovasjonene fortsetter, er det bare et spørsmål om tid før laser‑additiv produksjon når sitt reelle kommersielle potensial. I mellomtiden trer akustisk overvåking inn som et viktig verktøy. Denne teknologien vil bidra til å gjøre produksjonsteknikker mer konsistente. Ved å oppdage feil tidlig og legge til rette for korrigering, er den klar til å betydelig forbedre produktkvaliteten i nær fremtid.